SOA: el límite real de un transistor que nunca deberíamos ignorar
Cuando consultamos el datasheet de un transistor de potencia solemos fijarnos inmediatamente en tres parámetros: tensión máxima, corriente máxima y potencia máxima. El problema es que esos valores, considerados de forma independiente, no nos dicen todas las condiciones en las que el transistor puede trabajar con seguridad. Para eso existe uno de los gráficos más importantes de la hoja de características: la SOA (Safe Operating Area) o Área de Operación Segura.
No basta con conocer la tensión y la corriente máximas
Tomemos como ejemplo un transistor muy conocido en amplificadores de audio: el 2SC5200. A continuación gráfica SOA obtenida del datasheet.
Podemos encontrar valores máximos elevados de tensión y corriente y pensar que, mientras permanezcamos por debajo de ellos, el transistor estará protegido. Pero imaginemos un punto de funcionamiento de:
La potencia instantánea sería:
P = VCE × IC = 150 × 5 = 750 W
Tanto la tensión como la corriente pueden encontrarse individualmente por debajo de sus máximos absolutos y, sin embargo, esa combinación concreta puede estar completamente fuera del área de funcionamiento seguro.
Ahí está precisamente la razón de existir de la SOA.
¿Qué representa realmente la SOA?
La gráfica SOA representa las combinaciones de tensión colector-emisor (VCE) y corriente de colector (IC) que el transistor puede soportar bajo determinadas condiciones. La zona morada es la zona de operación segura para el régimen de funcionamiento continuo del 2SC5200.
La curva de DC es especialmente importante porque representa las condiciones admisibles para funcionamiento continuo bajo las condiciones especificadas.
El tiempo también importa
En una gráfica SOA normalmente aparecen diferentes límites para funcionamiento DC y para pulsos de distintas duraciones, por ejemplo: 100 ms, 10 ms, 1 ms…
Cuanto más breve sea el pulso, determinadas combinaciones de tensión y corriente pueden ser mayores. El semiconductor dispone de menos tiempo para calentarse.
Pero esto no significa que un punto permitido durante 10 ms pueda mantenerse indefinidamente o repetirse sin considerar las condiciones establecidas por el fabricante. De hecho el fabricante del 2SC5200 indica que no pueden ser impulsos repetitivos.
El gran problema de los BJT: la ruptura secundaria
En los transistores bipolares aparece además un fenómeno especialmente importante: la ruptura secundaria o secondary breakdown. El transistor puede comenzar a conducir más corriente en determinadas zonas microscópicas del chip. Esas regiones se calientan, y el incremento de temperatura puede favorecer todavía más la concentración local de corriente.
Se establece así un proceso de realimentación: más temperatura → mayor concentración de corriente → mayor disipación local → todavía más temperatura
El resultado puede ser la destrucción de una pequeña región del semiconductor y, finalmente, del transistor completo. Y todo ello puede suceder muy rápidamente.
La temperatura cambia la SOA
Otro detalle fundamental es observar en qué condiciones proporciona el fabricante la gráfica. En el caso del 2SC5200, la SOA está especificada para una determinada temperatura de cápsula (Tc), 25ºC.
Esto es importante: hablamos de la temperatura de la cápsula del transistor, no simplemente de la temperatura ambiente. A medida que aumenta la temperatura, el margen disponible disminuye y debemos aplicar el correspondiente derating.
Por eso, en una etapa de potencia, el disipador, la resistencia térmica, el montaje del transistor y la refrigeración no son detalles secundarios. Forman parte del problema.
¿Y qué ocurre en un amplificador Clase AB?
En una etapa Clase AB, la tensión VCE y la corriente IC del transistor de salida están cambiando continuamente con la señal de audio. El transistor no trabaja en un único punto. Durante cada ciclo de la señal va describiendo una trayectoria sobre el plano VCE–IC.
Con una carga puramente resistiva podemos analizar esa trayectoria con relativa facilidad. Pero un altavoz real no es una resistencia perfecta. Su impedancia cambia con la frecuencia y presenta componentes reactivas. Esto introduce desfases entre tensión y corriente.
Como consecuencia, pueden aparecer situaciones en las que el transistor tenga que suministrar una corriente considerable mientras todavía existe una tensión VCE elevada entre sus terminales.
Y esa combinación es precisamente la que puede acercarnos peligrosamente a los límites de la SOA.
Carga resistiva:
La SOA debería formar parte de cualquier diseño serio
Cuando seleccionamos un transistor de potencia no deberíamos limitarnos a comprobar:
- VCE máxima.
- IC máxima.
- Potencia máxima.
También debemos estudiar la gráfica SOA, la duración de las solicitaciones, la temperatura de funcionamiento, la refrigeración y la naturaleza real de la carga.
Y, sobre todo, debemos comprobar que la trayectoria real de funcionamiento permanece dentro del área segura con un margen razonable. Esto es particularmente importante en amplificadores de audio, fuentes lineales y cualquier circuito donde puedan coincidir tensiones relativamente elevadas con corrientes importantes.
Una lección que nunca deberíamos olvidar
La SOA nos recuerda una idea fundamental de la ingeniería electrónica:
Los valores máximos de un transistor no son independientes entre sí.
Que un transistor soporte una determinada tensión máxima y una determinada corriente máxima no significa que pueda soportarlas simultáneamente.
Tensión, corriente, potencia, tiempo y temperatura están relacionados.
Por eso, la próxima vez que abramos el datasheet de un transistor de potencia, además de mirar esos grandes números de la primera página, merece la pena buscar una gráfica que muchas veces contiene mucha más información sobre sus límites reales:
Safe Operating Area — SOA.
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