Interpretação da figura 46
a) ICM -
Se trabalharmos com valores de IC abaixo de ICM, estaremos fazendo com
que o transistor trabalhe com segurança, não impondo nenhum risco ao seu
funcionamento, para tanto, basta traçarmos por ICM (valor fornecido pelo
fabricante) uma paralela ao eixo VCE onde todo valor de IC abaixo dela não
conduz o transistor a risco algum).
b) BVCEO - Pelo valor de VCE = BVCEO, traçamos uma perpendicular ao eixo VCE,
onde qualquer valor de VCE inferior a BVCEO, não impõe risco algum ao
transistor. Em geral, se escolhermos para VCC um valor inferior a BVCEO,
já estaremos eliminando a hipótese desse valor ser ultrapassado.
c) Hipérbole de dissipação máxima:
Esta curva pode ser traçada ponto a ponto, pela expressão PCmáx = VCE x
IC, onde PCmáx é fixo e conhecido, e variando os valores de VCE e IC de
modo a manter o produto de ambos, constante e igual a PCmáx, obteremos
uma série de pontos que determinarão quando unidos, seu traçado. Qualquer
ponto abaixo desta curva estará num valor inferior a Pcmáx, portanto, não
imporemos também esse risco ao transistor.
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d) Região de alta deformação
Deveremos sempre que possível, trabalharmos com valores de IC não muito
próximos a zero, para fugirmos a influência da corrente de fuga dos
transistores, pois qualquer ponto nessa área, poderá vir a ocasionar uma
distorção no sinal aplicado.
e) Região de saturação
Esta região não apresenta pontos coordenados de VCE e IC, sendo também
evitada, e em época oportuna compreenderemos facilmente o porquê disto,
quando estudarmos o transistor no corte e na saturação.
f) Área Útil
Dentro desta região, qualquer ponto escolhido estará fora das limitações, de
modo que caberá ao projetista a escolha e aproveitamento do ponto de
operação dentro da mesma. Para maior clareza, representamos apenas esta
área na figura 47.
Passemos a um exemplo prático, para melhores esclarecimentos.
Exemplo: Dados
- Característica de saída da configuração Emissor-Comum.
- ICmáx = 80mA
- Pcmáx = 400mW
- BVCEO = 30Volts
Traçar sobre a característica de saída as limitações fornecidas.
Obs.:
42
Uma vez que delimitaremos uma área onde o transistor pode operar livremente, o
ponto de trabalho (ponto Q) deverá estar contido no interior dessa área, e como ele pertence
a reta de carga esta também aí estará.
-
Pelo eixo IC passando por ICmáx, traçamos uma paralela a VCE.
-
Pelo eixo VCE passando por BVCEO, traçamos uma paralela a IC.
-
Devemos evitar sempre (no caso do transistor operando como amplificador) a
região de saturação.
-
Devemos evitar também a região de alta deformação.
-
Quanto a hipérbole de dissipação máxima, esta será traçada ponto a ponto.
PCmáx = VCE x IC
(mw)
(Volts)
(mA)
400
400
400
400
400
20
16
10
8
5
20
25
40
50
80
P1
P2
P3
P4
P5
43
Com uma série de pontos (P1, P2,........) basta uni-los e teremos determinada a
hipérbole.
A Influência da Temperatura nos Transistores
Já por diversas vezes, fizemos menção da influência da temperatura nos elementos
semicondutores, porém reforçaremos agora os conceitos já apresentados de uma maneira
geral.
Os transistores para operarem com média e alta potência têm normalmente uma
temperatura máxima admissível na junção. Como já nos referimos anteriormente,
trabalhando o transistor em regime contínuo na máxima temperatura admissível, ficará sua
vida útil reduzida. Para transistores de silício e germânio, existem faixas de temperatura a
serem respeitadas. O Ge, por exemplo, possui sua faixa de temperatura máxima em torno
dos 80 a 100oC, enquanto que para o Si esta faixa de temperatura vai de 150 a 200oC.
Outra característica já mencionada é sobre a correntede fuga ICBO ou simplesmente
ICO.
Reunindo estas e outras características já apresentadas, o aluno deve ter notado a
necessidade da estabilização da temperatura, pois dela depende o bom funcionamento do
transistor. Para contornar o problema temperatura, passaremos sempre que necessário, a
prover o transistor de um dissipador de calor.
Dissipadores de Calor
O dissipador é um elemento que permite elevar consideravelmente a capacidade de
dissipação dos semicondutores.
Abordaremos a seguir de maneira completa, o cálculo de um dissipador,
possibilitando ao aluno a escolha correta do mesmo que já se encontra a venda no mercado,
porém, qual deveremos escolher, dependerá de uma série de fatores que trataremos da
forma mais simples possível.
a) Cálculo da Potência Dissipada em um Transistor
PC = VCE x IC, expressão esta já por nós utilizada anteriormente em exercício.
Obs . :
O aluno já deve ter notado que no transistor temos duas junções: a junção baseemissor e a junção coletor-base. Na junção base-emissor a corrente e tensão são muito
pequenas comparadas à junção coletor-base, e analogamente a potência dissipada também
será, de modo que a quase totalidade é dissipada na junção coletor-base.
Resistência Térmica (Rth)
A facilidade apresentada por um corpo de transmitir calor, chama-se condutância
térmica, e seu inverso será a resistência térmica denotada por Rth.
Analisemos então o transistor e a forma com que o calor é irradiado ao meio ambiente
e a relação deste com Rth.
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Rthj-c = Resistência térmica junção-caixa
Rthc-r = Resistência térmica caixa-radiador
Rthj-a = Resistência térmica junção-ar
Na figura 49, apresentamos em corte um transistor com um dissipador. Sua
resistência térmica total será dada pela seguinte expressão.
Rth = Rthj-c + Rthc-a + Rthr-a
Outra expressão que também utilizaremos será:
Tjmáx = Tamb + Rth x Pcmáx
Onde Tamb = Temperatura ambiente.
Tjmáx = Temperatura máxima da junção.
Consideremos o seguinte exemplo:
Rthi-a = 0,25oC/mW = 250oC/W !
Rthj-c = 0,15oC/mW = 150oC/W !Transistor BC556
PCmáx = 0,5 W (junção = 25o) !
Tjmáx = 150oC
Conhecemos as seguintes expressões:
Tjmáx = Tamb + Rth x PCmáx
45
Rth
= Rthj-c + Rthc-r + Rthr-a
a) Calcular o valor de PCmáx para a temperatura ambiente 25oC sem radiador.
Tjmáx = Tamb + Rth x Pcmáx
150
= 25
+ 250 x PCmáx
Sem radiador, foi utilizada direta a Rthj-a
150 - 25 = Pcmáx = 125 = 0,5W (dado fornecido acima)
250
250
b) Calcular o valor de PCmáx para a temperatura ambiente 50oC sem radiador.
Tjmáx = Tamb + Rth x PCmáx
150
=
50 + 250 x PCmáx
150 - 50 = Pcmáx = 100 = 0,4W
250
250
c) Para a temperatura ambiente de 50oC utilizando radiador, calcular Rthr-a para obtermos
um PCmáx = 0,45W.
Tjmáx = Tamb + Rth x PCmáx
150
=
50 + Rth x 0,45
150 - 50 = Rth = 100 = 222 oC/W
0,45
0,45
A resistência térmica caixa-radiador, assume pequenos valores, ainda mais se
acoplarmos o dissipador ao transistor utilizando graxa de silicone, um ótimo condutor de
calor. Adotaremos aqui Rthc-r igual a 4 oC/W, desta forma teremos:
Rth = Rthj-c + Rthc-r + Rthr-a
222 = 150 + 4 + Rthr-a
Rthr-a = 68oC/W.
46
Diagrama de Dissipação
Pode-se calcular também a potência média dissipada na junção, através do
diagrama da figura 50. No caso da figura 50 supomos que para temperaturas maiores que
50oC, a capacidade de dissipação diminui linearmente com o aumento da temperatura.
A montagem sem dissipador só é viável quando a potência dissipada no
semicondutor for pequena, pois como vimos a resistência térmica junção-ar (Rthj-a) é
relativamente grande.
Outro detalhe que também podemos notar no exemplo da figura 49 é o fato da
resistência térmica total Rth ser constituída de três parcelas: a resistência térmica entre
junção caixa, a resistência térmica entre caixa e radiador (obs:- esta resistência é a do
elemento isolante que se interpõe entre a caixa e o radiador, portanto conhecida) e a
resistência térmica radiador-ar.
Pela tabela da figura 51, você poderá ter uma melhor idéia do que resulta o uso de
dissipadores.
Fig. 51
Transistor
BC107
BS454
BD109
2N3054
Rthj-a
(oC /W)
500
220
Pmáx Sem
Dissipador
300 mW Tj=175oC
0,8 W Tj=200oC
Rthj-c
(oC /W)
200
35
7
6
Pmáx com
Dissipador T=25oC
750 mW Tj=175oC
3W
Tj=200oC
21,5 W Tj=175oC
29 W Tj=200oC
Quando a potência dissipada por um semicondutor aproxima-se a 1W, ou excede,
a transmissão direta de calor da caixa ao ar livre, não assegura uma temperatura tolerável na
junção. A montagem de um semicondutor sobre um dissipador aumenta a superfície de
irradiação reduzindo a resistência térmica junção-ar.
Cálculo do Dissipador
Rth = Rthj-c + Rthc-r + Rthr-a
Os valores de Rthj-c e Rthc-r são fornecidos pelo fabricante, conforme já
especificado.
47
A resistência térmica total pode ser calculada como já tivemos oportunidade de
verificar, e através dela a resistência térmica radiador-ar que determinará o dissipador a ser
utilizado.
Logo, Rthr-a pode ser dada pela expressão já por nós uti1izada.
Rth r −a =
∆T
− Rth j−c − Rth c − r
PCmáx
Obs.: PCmáx é o valor a ser dissipado pelo transistor.
Até agora, mencionamos apenas as propriedades dos radiadores, porém
gostaríamos de lembrar que existe uma infinidade de modelos diferentes, dos quais
representaremos um a seguir.
Será em função do número de aletas, dimensões (a,b,c,d) e Rthr-a que
determinaremos o radiador a ser utilizado, nesse ou em qualquer elemento.
A tabela a seguir, fornece-nos a resistência térmica entre caixa e radiador, para
vários tipos de montagem e algumas embalagens.
Embalagem
Montagem a seco
Rth (oC/W)
Montagem c/silicone
Rth (oC/W)
T0.3
T0.220
T0.202
0,5 a 0,7
1,0 a 1,3
1,5 a 2,0
0,3 a 0,5
0,6 a 0,8
0,9 a 1,2
Montagem c/ mica e
silicone
Rth (oC/W)
0,4 a 0,6
0,8 a 1,1
1,2 a 1,7
De posse do valor de Rthr-a basta entrarmos numa tabela de radiadores com o
mesmo, e escolhermos o radiador desejado.
Nas figuras 53a,b,c e d, fornecemos uma série de curvas para cálculo da área de
dissipadores de calor, utilizando chapas planas de alumínio e cobre, brancas ou
enegrecidas.
Em cada figura, vamos encontrar uma série de curvas, onde os respectivos
radiadores irão operar livremente ou através de ventilação forçada.
Exemplo
Dados:
48
Potência a ser dissipada: 10 W
Rthr-a calculada 3 oC/W
Calcular as áreas dos radiadores para chapas de cobre ou alumínio, brancos e
enegrecidos.
Se entrarmos na figura 53a, com os dados fornecidos, tiramos os seguintes
resultados.
Chapa de cobre enegrecida = 140 cm2
Chapa de alumínio enegrecida = 140 cm2
Se entrarmos na figura 53b, com os dados fornecidos, temos:
Chapa de cobre branca = 180cm2
Chapa de alumínio branca = 180cm2
Obs. :Por branca entenda-se não enegrecida.
Resistência térmica para Radiadores utilizando chapas planas de Alumínio 3mm e cobre
2mm.
49
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Bibliografia
Cipelli, A.M.V. e Sandrini, W.J., Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos
Eletrônicos, Livros Érica Editora Ltda, 8a Ed., 1984.
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