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
Pobierz PDF Download icon

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

Trudne początki

Lampa próżniowa trioda może mieć zaskakująco prymitywną budowę i przez to jest dobrym przykładem, jak łatwo można za pomocą pola elektrycznego (napięcia siatki) sterować przepływem swobodnych elektronów w próżni.

W próżni. Jednak próby wykorzystania takiego mechanizmu w ciałach stałych przez wiele lat kończyły się fiaskiem. Pole elektryczne można łatwo wytworzyć w materiałach, które są izolatorami, ale tam w normalnych warunkach nie ma swobodnych elektronów, czyli niemożliwy jest przepływ prądu. Przeciwnie jest w przewodnikach: tu swobodnych nośników prądu (elektronów) jest mnóstwo, ale nie sposób wytworzyć wewnątrz przewodnika sterującego pola elektrycznego, dodatkowo wpływającego na ruch tych elektronów. Najprościej biorąc, zewnętrzne pole elektryczne nie wnika do wnętrza przewodników, niejako jest wypychane przez swobodne elektrony.

Słuszny pomysł Lilienfelda i innych badaczy polegał na tym, że należałoby wykorzystać materiał pośredni między izolatorem i przewodnikiem (półprzewodnik), który ma niedużo swobodnych elektronów, a przez to wytwarzane z zewnątrz pole elektryczne może wnikać do jego wnętrza i oddziaływać z obecnymi tam nośnikami ładunku (prądu). Jest to tak zwany efekt polowy – field effect, polegający na zmianach przewodności materiału pod wpływem pola elektrycznego. Takie rozumowanie było prawidłowe, jednak dwa główne czynniki długo nie pozwalały na praktyczną realizację:

  • Na początku XX stulecia nie dysponowano odpowiednio jednorodnymi i czystymi półprzewodnikami.
  • Nawet w praktycznie użytecznych, najczystszych półprzewodnikach głębokość wnikania zewnętrznego pola elektrycznego jest znikoma, powiedzmy rzędu mikrometrów.

Te dwa problemy rozwiązano dopiero w latach 50. XX wieku i wtedy powstał pierwszy tranzystor, wykorzystujący efekt polowy i wnikanie pola elektrycznego do wnętrza półprzewodnika. Mianowicie dopiero na początku lat 50. poinformowano (Bell Labs) o stworzeniu tranzystora polowego złączowego, czyli JFET – Junction Field Effect Transistor, który działał podobnie, jak opisywał to wygasły już wtedy patent Lilienfelda.

I zasada działania, i budowa tranzystora złączowego JFET jest bardzo prosta, zdecydowanie prostsza niż tranzystora bipolarnego, co pokazuje rysunek 6, a to wydaje się dużą zaletą.

Rysunek 6.

Niestety okazało się, że długo oczekiwany tranzystor polowy JFET w praktyce wcale nie jest tak atrakcyjny, jak można się było spodziewać. W latach 50. w licznych laboratoriach prowadzono prace nad wytworzeniem praktycznie użytecznych tranzystorów polowych. Ale dość długo pozostawały one jedynie laboratoryjną ciekawostką, a nie użytecznymi elementami rynkowymi. Najprościej biorąc, z uwagi na to, że sterujące pole elektryczne wnika do półprzewodnika na znikomą głębokość, polowe tranzystory złączowe JFET z konieczności były elementami malutkimi, delikatnymi, małej mocy. Nie było sposobu, żeby zbudować tranzystory polowe JFET o dużej powierzchni struktur, czyli o dużym prądzie i dużej mocy. Tak długo oczekiwane i pożądane tranzystory polowe w końcu powstały i pojawiły się na rynku, jednak okazały się nieprzydatne do układów większej mocy, a i w układach małej mocy tranzystory polowe stosowano rzadko. Przez ponad 30 lat dominowały przypadkowo odkryte tranzystory bipolarne, działające na zupełnie innej zasadzie. Nazwa tranzystor (połączenie transfer resistor) wskazuje na zmienną, sterowaną rezystancję, jednak tranzystor bipolarny nie ma właściwości rezystora, tylko źródła prądowego sterowanego prądem (bazy). Obwód sterujący (baza-emiter) to złącze diodowe p-n, przy czym większość prądu tego złącza, a konkretnie prądu emitera, jest w sprytny sposób przejmowana przez obwód kolektora.

Tranzystory bipolarne zaczęły się szybko upowszechniać już od początku lat 50. Pierwszy tranzystor był bardzo niedoskonałym, delikatnym tranzystorem ostrzowym (point contact transistor). Ale szybko zaczęto wykorzystywać inne technologie, co pozwoliło poprawić różne parametry, między innymi budować tranzystory o większym prądzie i większej mocy. A były one potrzebne w wielu zastosowaniach, na przykład jako elementy regulacyjne w stabilizatorach napięcia, a także we wzmacniaczach mocy audio. Duże znaczenie miało pojawienie się tranzystorów komplementarnych, czyli pnp i npn o podobnych właściwościach.

Wśród dawnych elektroników „lampowych”, którzy pomału i z oporami przestawiali się na tranzystory, w większości tranzystory małej mocy kilkudziesięciu miliwatów, zdziwienie budziły tranzystory o mocach kilku czy kilkunastu watów. Najpierw były to elementy germanowe, żeby wymienić produkowane od roku 1960 krajowe 10-watowe TG70-TG72, oznaczane później ADP670...672 – fotografia 7.

Fotografia 7.

Na szereg lat kultowym tranzystorem mocy, znanym na całym świecie, stał się krzemowy 2N3055, opracowany na początku lat 60. przez RCA. 2N3055 później produkowany był przez wielu wytwórców na całym świecie. W krajach obozu komunistycznego ten kultowy tranzystor był produkowany przez węgierski Tungsram (fotografia 8) i jego sławy nie przyćmiły na pozór silniejsze produkowane w Czechosłowacji KD502, KD503.

Fotografia 8.

Nie tylko na początku lat 60. tranzystor 2N3055 był rewelacją ze swoimi parametrami: prądem kolektora 15 A, napięciem UCE0=60 V i mocą 117 W! Niebotyczna jak na owe czasy moc: ponad 100 watów, rozpalała wyobraźnię hobbystów, a mało kto spośród nich rozumiał, o jaką moc tu chodzi. Parametry wskazują, że tranzystor przy zasilaniu 60 V mógłby przełączać prąd 15 A, co daje moc sterowanego obciążenia aż 900 watów. Natomiast katalogowa moc 117 W to maksymalna dopuszczalna moc strat cieplnych wydzielających się w tranzystorze, ale tylko przy idealnych chłodzeniu, przy temperaturze obudowy (nie otoczenia) równej +25°C. W warunkach praktycznych idealnego chłodzenia się nie osiągnie, więc dopuszczalna moc strat jest zawsze mniejsza, zależna od zastosowanego radiatora. Moc strat nie przekłada się też bezpośrednio na moc wyjściową wzmacniacza audio. Choć nieświadomi tego hobbyści często przeciążali te tranzystory, słynęły one z dużej odporności zarówno na przegrzanie, jak i na drugie przebicie.

W każdym razie co najmniej do lat 80. dominującymi elementami mocy były tranzystory bipolarne. Pomimo pewnych wad, w większości aplikacji szybko okazały się dużo lepsze od lamp elektronowych, niekoniecznie ze względu na parametry, raczej z uwagi na wygodę stosowania i cenę. Tranzystory znalazły też i otworzyły szereg nowych zastosowań. Pojawiło się i rosło zapotrzebowanie na bipolarne tranzystory coraz większej mocy, w tym wysokonapięciowe. Przez różne sprytne rozwiązania poprawiano ich parametry dynamiczne – stawały się one coraz szybsze. Stopniowo ulepszano też sposoby przekazywania ciepła ze struktury do obudowy i dalej do otoczenia, co dawało tranzystory o coraz większej mocy strat. Niemniej bipolarne tranzystory wysokonapięciowe z uwagi na problem grubości bazy miały i mają małe wzmocnienie prądowe, niektóre tylko 10×, a nawet mniej. Także w układach impulsowych do sterowania potrzebny jest stosunkowo duży prąd bazy, by skutecznie nasycić tranzystor.

Pomimo postępu, dały o sobie znać nieuniknione, „wrodzone” i „nieuleczalne” wady, które w wielu zastosowaniach były i są bardzo poważnym ograniczeniem, wynikającym z fundamentalnych zasad pracy tranzystorów bipolarnych. Szukano różnych sposobów poprawy sytuacji. Po pierwsze, nadal równolegle prowadzono badania laboratoryjne nad elementami innymi niż tranzystory bipolarne, w szczególności nad różnymi odmianami tranzystorów polowych. Po drugie, okazało się, że parametry można zdecydowanie poprawić przez odpowiednie złożenie dwóch lub więcej tranzystorów, albo oddzielnych, albo zintegrowanych razem w jednym elemencie – można wspomnieć o układach Darlingtona i Sziklaiego, a inne przykłady omówimy za chwilę. Po trzecie, obok germanu (Ge) i krzemu (Si), zaczęto wykorzystywać różne inne materiały półprzewodnikowe, między innymi arsenek galu (GaAs), węglik krzemu (SiC) a od niedawna także azotek galu (GaN).

Historia spłatała figla: długo, z wielkimi nadziejami oczekiwane, sterowane napięciem tranzystory polowe z początku okazały się wielkim rozczarowaniem. Na co najmniej 30 lat rozpowszechniły się stworzone przypadkowo w roku 1947 tranzystory bipolarne. Jednak z biegiem czasu tranzystory polowe uzyskały, czy może raczej odzyskały dominująca pozycję.

Najprostsze w budowie tranzystory polowe złączowe (JFET) nie tylko były malutkie i delikatne, ale były niewygodne do sterowania. Najprościej biorąc, były to elementy normalnie otwarte i do ich zatkania, wyłączenia, potrzebne było napięcie sterujące ujemne, podobnie jak w lampach elektronowych. Tranzystory bipolarne były pod tym względem zdecydowanie wygodniejsze, bo były normalnie wyłączone, zatkane i do otwarcia nie wymagały napięcia sterującego, powiedzmy ujemnego. Dlatego przełomem było wynalezienie tranzystora polowego, normalnie zamkniętego, który nie wymagał „ujemnego” napięcia sterującego. Tranzystor taki powstał na początku lat 60. i upowszechniał się pomału przez ponad 20 lat.

DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio luty 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów