Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Elementy elektroniczne dużej mocy

Elementy elektroniczne dużej mocy

Zamieszczone obok fragmenty opisu patentowego złożonego w roku 1926 udowadniają, że już prawie 100 lat temu pochodzący z Polski (urodzony w 1882 we Lwowie który wtedy był częścią Austro-Węgier) naukowiec żydowskiego pochodzenia, Julius Edgar Lilienfeld, opatentował tranzystor – wzmacniający element półprzewodnikowy.

Spis treści

Co prawda patentowany przyrząd nie był nazwany tranzystorem, tylko aparatem do wzmacniania prądu, ale dziś powiemy, że jest to patent na odmianę złączowego tranzystora polowego (JFET – junction field effect transistor, a ściślej MESFET MEtal-Semiconductor Field Effect Transistor).

Patent pojawił się prawie sto lat temu, a idea, pomysł sporo wcześniej. Jednak ani Lilienfeldowi, ani innym naukowcom i wynalazcom przez kilkadziesiąt lat nie udało się stworzyć działającego, praktycznie użytecznego elementu według tej idei. A idea była prawidłowa i słuszna, o czym za chwilę.

Fotografia 1.

Trzeba też mocno podkreślić, że wynalezienie tranzystora bipolarnego – fotografia 1 – © Alcatel-Lucent USA Inc. w roku 1947 (Walter Brattain, John Bardeen, William Shockley) było przypadkiem i zaskoczeniem. Było to zdecydowanie bardziej odkrycie niż świadome wynalezienie. Celem tych badaczy wcale nie było stworzenie takiego właśnie trzywarstwowego elementu z dwoma złączami pn, wzmacniającego sygnały elektryczne. Ze zdziwieniem stwierdzili, że testowana dość specyficzna i dość skomplikowana struktura jest wzmacniaczem prądu. Rysunek 2 przypomina, jakie dziś wykorzystujemy symbole graficzne tranzystorów bipolarnych i jak przedstawiamy w uproszczeniu ich budowę.

Rysunek 2.

Odkrycie takiego dziwnego elementu wzmacniającego było o tyle zaskoczeniem, że nie tylko ci, ale i inni naukowcy i wynalazcy, w tym William Shockley, już od szeregu lat pracowali nad stworzeniem wzmacniacza „solid state”, czyli wzmacniającego elementu półprzewodnikowego, ale działającego na innej zasadzie. Na zasadzie bardzo prostej. Takiej, którą wykorzystują lampy elektronowe. A jak wiadomo, ich działanie polega na wpływie pola elektrycznego na swobodne, ruchome ładunki elektryczne.

Ta atrakcyjna i słuszna idea jest następująca: jeżeli w przestrzeni mamy swobodne ładunki elektryczne i jeżeli w tej przestrzeni występuje pole elektryczne, to na ładunki te działa siła i poruszają się one w polu elektrycznym – w przestrzeni tej i w całym obwodzie elektrycznym płynie prąd. Sprytny pomysł wzmacniania polega na tym, że wprowadzamy drugie, pomocnicze, sterujące pole elektryczne, które też oddziałuje na nośniki prądu i najprościej mówiąc, może wypychać je z przestrzeni, w której mogą się poruszać. To drugie, pomocnicze pole elektryczne w sumie steruje liczbą czynnych nośników, a przez to reguluje wielkość prądu płynącego w głównym obwodzie.

Ta jasna i prosta idea dała się stosunkowo łatwo i szybko zrealizować w postaci klasycznej, próżniowej lampy elektronowej – triody. Przypomnijmy, że triodę (audion) wynalazł Lee de Forest w roku 1906. W triodzie swobodne nośniki to elektrony, poruszające się w próżni między emitującą elektrony gorącą katodą a anodą. Dodanie trzeciej elektrody – tak zwanej siatki, pozwala regulować przepływ prądu za pomocą niewielkiego napięcia, rzędu kilku woltów, podanego między katodę i siatkę. Schemat budowy prymitywnej elektronowej lampy próżniowej (z bezpośrednim żarzeniem) jest pokazany na rysunku 3. Przy okazji wyjaśnia się, dlaczego w angielskojęzycznych źródłach zza oceanu anoda nazywana jest plate (co można przetłumaczyć jako płyta).

Rysunek 3.

Tę bardzo prostą zasadę sterowania, gdzie pole elektryczne odpycha lub przyciąga swobodne nośniki prądu, próbowano zastosować nie tylko przy wykorzystaniu elektronów w próżni. Niniejszy materiał poświęcony jest elementom elektronicznym dużej mocy, dlatego koniecznie trzeba wspomnieć też o innych rodzajach lamp. Otóż lampy próżniowe z uwagi na właściwości elektronów w próżni generalnie nie nadają się do pracy przy dużych prądach. Owszem, produkowano lampy próżniowe o dużych prądach, ale były to potężne i kosztowne konstrukcje, stosowane w nadajnikach radiowych. Tymczasem od dawna istniało zapotrzebowanie na elementy elektroniczne pracujące przy dużych prądach i niezbyt dużych napięciach.

Do tego lampy próżniowe po prostu się nie nadawały. Przykładem mogą być szeroko stosowane w starych odbiornikach radiowych próżniowe lampy prostownicze. Nie nadają się one do pracy przy dużych prądach i niskich napięciach. I tu koniecznie należałoby wspomnieć o gazotronie, tyratronie i ignitronie.

Otóż już w XIX wieku powstały lampy gazowane, najpierw jako popularne do niedawna lampki – neonówki, potem inne interesujące odmiany. Gazotron to lampa prostownicza, odpowiednik próżniowej diody. Tyratron to lampa elektronowa budową bardzo podobna do triody. Kluczowa różnica to zastąpienie próżni gazem – najczęściej jednym z gazów szlachetnych, jak neon, ksenon, ewentualnie wodorem lub parami rtęci. I właśnie obecność gazu zmienia zdecydowanie właściwości. Najprościej biorąc, w normalnych warunkach tyratron nie przewodzi prądu. O przepływie prądu decyduje stosunkowo niewielkie napięcie siatki.

W kontekście głównego tematu artykułu bardzo istotną zaletą było to, że gazotrony i tyratrony mogły przewodzić prądy wielokrotnie większe niż podobne lampy próżniowe. Występuje jednak istotna różnica między triodą i tyratronem. Próżniowa trioda pozwala na płynną, liniową regulację prądu anody za pomocą niewielkiego napięcia siatki. Niemal identycznie zbudowany tyratron, który jest lampą gazowaną, nie pozwala na taką płynną, liniową regulację – jest elementem dwustanowym: albo jest zatkany i nie przewodzi, albo zostaje otwarty i po otwarciu zmiany napięcia siatki nie mają już żadnego wpływu na jego stan. Raz włączony tyratron pozostaje otwarty, prąd płynie i dopiero przerwanie przepływu prądu zatyka tyratron. Wynika to z zasady działania lamp gazowanych, gdzie w spoczynku gaz zawiera znikomą liczbę wolnych nośników ładunku i nie przewodzi prądu. Włączenie polega na lawinowym powielaniu nośników przez rozdzielanie molekuł gazu na swobodne elektrony i jony. W gazotronach, które są zwyczajnymi, niesterowanymi prostownikami, następuje to po prostu pod wpływem napięcia w obwodzie głównym, a w tyratronach ma na to wpływ także napięcie siatki.

Fotografia 4.

Dlatego tyratrony mogą służyć i przez długie lata służyły w roli impulsowych regulatorów – prostowników sterowanych. Odmianą tyratronu jest ignitron (fotografia 4 z Wikipedii), który jest sterowanym prostownikiem rtęciowym. Duże ignitrony zawierały kilka litrów rtęci, pełniącej funkcję płynnej katody i mogły prostować prądy rzędu setek amperów, a nawet większe. To właśnie lampy gazowane, a nie próżniowe, były pierwszymi elektronicznymi elementami dużej mocy. Tyratrony i ignitrony w latach 30. zastąpiły wcześniejsze, jeszcze bardziej niedoskonałe prostowniki elektromechaniczne dużej mocy, a w pewnych zastosowaniach prostowniki elektrolityczne.

Lampy te nie tylko wytwarzały dużo niepotrzebnego ciepła (moc równa iloczynowi przepływającego prądu i spadku napięcia na prostowniku rzędu kilkunastu do kilkudziesięciu woltów), ale wydzielały też trujące pary rtęci oraz szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe. Jednak potężne i groźne dla zdrowia osób obsługujących prostowniki rtęciowe pracowały co najmniej do lat 70., ponieważ zastąpienie ich półprzewodnikami nie było łatwe. Wspomnijmy, że prostowniki kuprytowe i selenowe, które też były elementami półprzewodnikowymi, miały kiepskie właściwości. Pierwsze nieco bardziej nowoczesne diody były wykonane z germanu, materiału o stosunkowo niskiej dopuszczalnej temperaturze pracy. Dopiero diody krzemowe, a potem potężne tyrystory zmieniły sytuację w zakresie prostowników bardzo dużej mocy.

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik listopad 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio grudzień 2020

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje listopad 2020

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich październik 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów