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 (BJT) de conmutación mediante la aplicación de 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 eliminarse 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]
El circuito Baker Clamp debe su nombre a Richard H. Baker, quien lo describió en su informe técnico de 1956 "Maximum Efficiency Transistor Switching Circuits" (Circuitos de conmutación de transistores de máxima eficiencia). [2] Baker llamó a la técnica "back clamping" (sujeción posterior), pero el circuito ahora se llama Baker Clamp. Muchas fuentes atribuyen el circuito de sujeción de dos diodos al informe de Baker. [3] [4] [5] También en 1956, Baker describió el circuito en una solicitud de patente; la patente US 3.010.031 [6] emitida en 1961 reclama el uso de la abrazadera en circuitos flip-flop simétricos.
Se dice que se conocían circuitos de pinza similares antes del informe de Baker. Kyttälä afirma: "Aunque la invención del circuito de pinza de Baker se atribuye a Richard H. Baker (patente estadounidense 3.010.031), ya era de conocimiento público en 1953 y se describía en documentos introductorios sobre transistores escritos por Richard F. Shea". [7] Sin embargo, el texto de Shea sobre transistores de 1953 no describe un circuito de pinza similar. [8] El texto de Shea de 1957 sí describe el circuito de pinza y hace referencia al informe técnico de Baker. [3]
Existen otros circuitos de fijación. Un manual de 1959 describe una técnica llamada "fijación de saturación". [9] En ese esquema, hay una fuente de fijación de saturación de aproximadamente 2 voltios conectada al colector con un diodo de fijación de saturación. Cuando el transistor se acerca a la saturación, el diodo de fijación se activa y suministra la corriente de colector adicional para evitar que el transistor se sature. La fuente de fijación de saturación debe suministrar una corriente sustancial. [10] Por el contrario, la fijación de Baker reduce la corriente de base del transistor en lugar de suministrar más corriente de colector.
Otro circuito de sujeción utiliza una única abrazadera de diodo. [9] Reduce el impulso de base a medida que el transistor se acerca a la saturación, pero utiliza una red divisora de resistencias.
Los circuitos de fijación 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 hasta 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 alrededor de 2,3 constantes de tiempo. [11] La fijación de corte reduce la oscilación de la tensión de salida, pero hace que la transición sea más rápida. Fijar la tensión del colector al 63 por ciento del valor final permite un aumento de velocidad de un factor de dos. [12]
La pinza Baker limita la diferencia de voltaje entre el emisor y el colector desviando la corriente de base a través del colector. Esto introduce una retroalimentación negativa no lineal en una etapa de emisor común (conmutador 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 desactiva y la ganancia es máxima; cuando el transistor se acerca al punto de saturación, la retroalimentación negativa se activa gradualmente y la ganancia cae rápidamente. Para disminuir la ganancia, el transistor actúa como un regulador en derivación con respecto a su propia unión base-emisor: desvía una parte de la corriente de base a tierra conectando un elemento estable en voltaje en paralelo a la unión base-emisor.
El circuito de sujeción 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] Un diodo de silicio adicional está conectado en serie con el terminal de base para aumentar el voltaje de entrada efectivo; el diodo de sujeción en la retroalimentación colector-base a veces está hecho de germanio para minimizar la caída de voltaje a través de él. [6] El diodo de base permite que se use 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 se ha minimizado la carga de la base, ahora es más difícil extraer carga de la base.
Un segundo diodo base conectado en antiparalelo al diodo base (D 2 en el esquema de Baker) proporcionará una ruta de retorno de baja impedancia para eliminar la carga de base almacenada en el transistor. Algunas fuentes todavía denominan a este circuito de tres diodos pinza Baker [14] , mientras que otras solo denominan pinza Baker al circuito de dos diodos [15] .
Una alternativa sencilla a la pinza Baker es un único diodo de bajo voltaje desde el colector hasta la base. Para que funcione bien, la caída de tensión directa del diodo debe ser menor que la caída de tensión base-emisor, por lo que se pueden utilizar diodos Schottky y de germanio de baja caída de tensión con transistores de silicio (la caída de tensión directa de un diodo Schottky es mucho menor que la tensión de polarización V BE de un transistor de silicio y conmuta rápidamente). Un circuito de pinza de diodo alternativo conecta el diodo a una unión de dos resistencias de polarización base. [9] La solución contemporánea es integrar la combinación de un diodo y un transistor Schottky en un transistor Schottky . Algunas fuentes también se refieren a esta configuración como pinza Baker. [16]
Las abrazaderas Baker también se utilizan en aplicaciones de potencia, y la elección de diodos es una cuestión de diseño importante. [17]
Una desventaja de la pinza Baker es su mayor nivel de salida de bajo voltaje (como en un transistor Darlington ). En circuitos lógicos, disminuye la inmunidad al ruido; en aplicaciones de potencia, aumenta la potencia disipada.
Aunque la invención del circuito Baker Clamp se atribuye a Richard H. Baker (patente de EE. UU. 3.010.031), ya era de conocimiento común en 1953 y se describía en artículos introductorios sobre transistores escritos por Richard F. Shea.[ enlace muerto permanente ]