La pinza Baker es un nombre genérico para una clase de circuitos electrónicos que reducen el tiempo de almacenamiento de un transistor de unión bipolar de conmutación (BJT) aplicando una retroalimentación negativa no lineal a través de varios tipos de diodos . La razón de los tiempos de apagado lentos de los BJT saturados es la carga almacenada en la base. Debe quitarse antes de que el transistor se apague, ya que el tiempo de almacenamiento es un factor limitante del uso de transistores bipolares e IGBT en aplicaciones de conmutación rápida. Las pinzas Baker basadas en diodos evitan que el transistor se sature y, por lo tanto, acumule una gran cantidad de carga almacenada. [1]
Origen
La pinza Baker lleva el nombre de Richard H. Baker, quien la describió en su informe técnico de 1956 "Circuitos de conmutación de transistores de máxima eficiencia". [2] Baker llamó a la técnica "sujeción trasera", pero el circuito ahora se llama abrazadera Baker. Muchas fuentes dan crédito al informe de Baker por el circuito de abrazadera de dos diodos. [3] [4] [5] También en 1956, Baker describió el circuito en una solicitud de patente; la patente emitida en 1961, US 3.010.031, [6] reivindica el uso de la abrazadera en circuitos flip-flop simétricos.
Se dice que se conocían circuitos de abrazadera similares antes del informe de Baker. Kyttälä afirma: "Aunque la invención del circuito Baker Clamp se le atribuye a Richard H. Baker (patente de EE.UU. 3.010.031), ya era de conocimiento común en 1953 y se describió en los artículos introductorios de transistores escritos por Richard F. Shea". [7] Sin embargo, el texto del transistor de Shea de 1953 no describe un circuito de abrazadera similar. [8] El texto de Shea de 1957 describe el circuito de la abrazadera y hace referencia al informe técnico de Baker. [3]
Hay otros circuitos de abrazadera. Un manual de 1959 describe una técnica llamada "sujeción por saturación". [9] En ese esquema, hay un suministro de pinza de saturación a aproximadamente 2 voltios conectado al colector con un diodo de pinza de saturación. Cuando el transistor se acerca a la saturación, el diodo de pinza se enciende y suministra la corriente extra del colector para evitar que el transistor se sature. El suministro de la pinza de saturación debe suministrar una corriente sustancial. [10] Por el contrario, la pinza Baker reduce la corriente base del transistor en lugar de suministrar más corriente al colector.
Otro circuito de abrazadera utiliza una abrazadera de diodo único. [9] Reduce el impulso de la base a medida que el transistor se acerca a la saturación, pero utiliza una red divisoria de resistencias.
Los circuitos de abrazadera también se utilizaron para acelerar las transiciones de corte. Cuando se corta el transistor, la salida es similar a un circuito RC que decae exponencialmente a su valor final. A medida que el circuito se acerca a su valor final, hay menos corriente disponible para cargar el condensador, por lo que la velocidad de aproximación disminuye. Para alcanzar el 90 por ciento del valor final se necesitan aproximadamente 2,3 constantes de tiempo. [11] La sujeción de corte reduce la oscilación del voltaje de salida pero hace que la transición sea más rápida. Fijar el voltaje del colector al 63 por ciento del valor final permite un factor de aumento de dos velocidades. [12]
Idea básica
La pinza Baker introduce una retroalimentación negativa no lineal en una etapa de emisor común (interruptor BJT), con el propósito de evitar la saturación al disminuir la ganancia cerca del punto de saturación. Mientras el transistor está en modo activo y está lo suficientemente lejos del punto de saturación, la retroalimentación negativa se apaga y la ganancia es máxima; cuando el transistor se acerca al punto de saturación, la retroalimentación negativa se enciende gradualmente y la ganancia cae rápidamente. Para disminuir la ganancia, el transistor actúa como un regulador de derivación con respecto a su propia unión base-emisor: desvía una parte de la corriente base a tierra conectando un elemento estable en voltaje en paralelo a la unión base-emisor.
Implementación
El circuito de pinza Baker de dos diodos se muestra en la figura de la patente de Baker y en muchas otras publicaciones. [9] El diodo de retroalimentación (D1) entre el colector y la entrada limita el voltaje del colector a aproximadamente V BE al desviar la corriente de entrada excesiva a través del colector a tierra. [13] Se conecta un diodo de silicio adicional en serie con el terminal base para elevar el voltaje de entrada efectivo; el diodo de abrazadera en la retroalimentación de la base del colector a veces está hecho de germanio para minimizar la caída de voltaje en él. [6] El diodo base permite utilizar una abrazadera de diodo de Si con un transistor de Si y mantiene V CE alrededor de una caída de diodo y mucho mayor que V CE (sat) . Desafortunadamente, se apaga y crea una ruta de retorno de alta impedancia cuando se intenta apagar el transistor. Aunque la carga base se ha minimizado, ahora es más difícil extraer carga de la base.
Un segundo diodo base conectado antiparalelo al diodo base (D 2 en el esquema de Baker) proporcionará una ruta de retorno de baja impedancia para eliminar la carga base almacenada en el transistor. Este circuito de tres diodos todavía se conoce como pinza Baker por algunas fuentes, [14] mientras que otras solo llaman al circuito de dos diodos pinza Baker. [15]
Una alternativa simple a la pinza Baker es un solo diodo de bajo voltaje desde el colector hasta la base. Para que funcione bien, la caída directa del diodo debe ser menor que la caída base-emisor, por lo que los diodos de germanio y Schottky de baja caída de voltaje se pueden usar con transistores de silicio (la caída de voltaje directo de un diodo Schottky es mucho menor que el V BE voltaje de polarización de un transistor de silicio y cambia rápidamente). Un circuito de abrazadera de diodo alternativo conecta el diodo a una unión de dos resistencias de polarización de base. [9] La solución actual es integrar la combinación de un diodo Schottky y un transistor en un transistor Schottky . Algunas fuentes también se refieren a esta configuración como pinza Baker. [dieciséis]
Las pinzas Baker también se utilizan en aplicaciones eléctricas y la elección de diodos es un problema de diseño importante. [17]
Un inconveniente de la pinza Baker es su mayor nivel de salida de voltaje bajo (como en un transistor Darlington ). En circuitos lógicos, disminuye la inmunidad al ruido; en aplicaciones de potencia, aumenta la potencia disipada.
Ver también
Referencias
- ^ Simon S. Ang (1995). Convertidores de conmutación de energía . Marcel Dekker. pag. 340. ISBN 978-0-8247-9630-3.
- ^ RH Baker (1956), "Circuitos de conmutación de máxima eficiencia" , Informe del laboratorio MIT Lincoln TR-110
- ^ a b Richard F. Shea, ed. (1957). Ingeniería de circuitos de transistores . Wiley. pag. 322.
- ^ Ernst Bleuler (1964). Métodos de física experimental vol. 2: Métodos electrónicos . Prensa académica. ISBN 978-0-12-475902-2.
- ^ William D. Roehr y Darrell Thorpe (editores) (1963). Manual de conmutación de transistores . Productos de semiconductores de Motorola. pag. 32.CS1 maint: texto adicional: lista de autores ( enlace )
- ^ a b US 3010031 , Baker, Richard H., "Circuito de conmutación de transistor simétrico con abrazadera trasera", publicado el 24 de octubre de 1956, publicado el 21 de noviembre de 1961
- ^ Kyttälä, Teemu (2008), Amplificadores de guitarra de estado sólido , p. 128,
aunque la invención del circuito Baker Clamp se le atribuye a Richard H. Baker (Patente de EE.UU. 3.010.031), ya era de conocimiento común en 1953 y se describió en los artículos introductorios de transistores escritos por Richard F. Shea.
- ^ Shea, Richard F., ed. (1953), Principios de los circuitos de transistores , Nueva York: Wiley; también publicado por Chapman & Hall, Londres
- ^ a b c d Departamento del Ejército (1963) [1959], Teoría básica y aplicación de transistores; Manual técnico 11-690 , Dover, págs. 195-199
- ^ La corriente del colector del transistor será I C = βI B ; todo lo que no provenga de la carga vendrá del suministro de la pinza de saturación.
- ^ ln (1−0,9) = - 2,302585
- ^ ln (1−0,63) = - 0,99425
- ^ Neil Chadderton y Dino Rosaldi (mayo de 1996). "Conversión CC-CC de alta frecuencia mediante transistores bipolares de alta corriente: funcionamiento a 400 kHz con dispositivos de geometría optimizada" (PDF) . Zetex. Archivado desde el original (PDF) el 22 de diciembre de 2009.
- ^ Roehr, William D., ed. (2001), Rectifier Applications Manual: Reference Manual and Design Guide (PDF) (revisión 2 ed.), ON Semiconductor, archivado desde el original (PDF) el 2009-04-07 , consultado el 2009-04-20 Las páginas 175-176 describen una "pinza Baker" de 3 diodos.
- ^ Harry E. Thomas (1968). Manual de transistores, semiconductores, instrumentos y microelectrónica . Prentice Hall. pag. 228.
- ^ Paul Horowitz y Winfield Hill (1989), The Art of Electronics (Segunda ed.), Cambridge University Press, pág. 908, ISBN 978-0-521-37095-0
- ^ Pressman, Abraham I. (1998), Switching Power Supply Design (2ª ed.), McGraw-Hill, págs. 328–330, ISBN 0-07-052236-7