Poznajemy tranzystory – część 6

W poprzednim odcinku dowiedziałeś się, jak można wykorzystać tranzystor w roli przełącznika oraz czym jest lustro prądowe. W tej części zapoznasz się z bardzo ważnym tematem: bezpiecznego obszaru pracy tranzystora.

Prąd kolektora

Na początek pytanie: czy prąd kolektora może mieć dowolnie dużą wartość? Teoretycznie biorąc, zwiększając prąd bazy, można dowolnie zwiększyć prąd kolektora.

Jednak w konkretnym układzie maksymalny prąd kolektora płynie w stanie nasycenia tranzystora i co ważne, nie jest wyznaczony przez tranzystor, tylko przez wartość napięcia zasilania i rezystancji obciążenia. Zmniejszając rezystancję obciążenia zwiększamy ten prąd.

Jak się słusznie domyślasz, prądu tego nie można zwiększać dowolnie. Każdy tranzystor ma określony przez producenta maksymalny prąd kolektora, oznaczany w katalogach I_Cmax.

Wartość tego prądu związana jest z budową struktury tranzystora i grubością połączeń wewnętrznych.

Przy przepływie prądu przez rezystancję, wydziela się ciepło. Domyślasz się prawdopodobnie, a może widziałeś na własne oczy, że połączenia między krzemową strukturą tranzystora, a wyprowadzeniami wykonane są cienkim drucikiem. Pomimo że często jest to drucik ze złota, przy przepływie nadmiernego prądu zachowa się jak najzwyklejszy bezpiecznik – rozgrzeje się i stopi.

Nie tylko ten drucik. Krzemowa struktura tranzystora ma jakieś wymiary geometryczne. Jeśli spróbowałbyś przepuścić wielki prąd przez w sumie niewielki przekrój tej struktury, uzyskasz dużą, zbyt dużą gęstość prądu. Nie zapominaj, że masz do czynienia z delikatną strukturą półprzewodnikową i nadmierny wzrost gęstości prądu spowoduje nie tylko wzrost temperatury, ale i różne inne szkodliwe zjawiska. Wspomnę tylko o zmniejszaniu współczynnika wzmocnienia prądowego (β) ze wzrostem prądu kolektora.

Uzasadniłem tu w największym skrócie, że ze względu na grzanie doprowadzeń i ograniczoną gęstość prądu w strukturze, nie można bezkarnie zwiększać prądu kolektora ponad wartość ustaloną przez producenta.

Jeśli się chwilę zastanowisz, dojdziesz pewnie do wniosku, że jeśli tranzystor pracowałby w trybie impulsowym, czyli otwierałby się i przepuszczał prąd tylko przez krótkie odcinki czasu, to wspomniane składniki nie zdążą się nagrzać aż do stopienia, a więc taki chwilowy, impulsowy prąd kolektora mógłby być większy, niż prąd maksymalny przy pracy ciągłej.

Masz rację! W katalogach często podaje się maksymalny prąd kolektora przy pracy ciągłej oraz maksymalny prąd kolektora przy pracy impulsowej. Potwierdzenie zobaczysz za chwilę na charakterystyce tranzystora mocy.

Ale na razie zajmiemy się pokrewną sprawą. Jak myślisz, czy jeśli nie przekroczysz katalogowego prądu I_Cmax, oraz katalogowego napięcia U_CEmax, to czy twojemu tranzystorowi nic nie grozi?

Moc strat

Zaczynamy omawiać ważny i jak się okaże – trochę trudny temat. Musisz go dobrze zrozumieć! Najtrudniejsze informacje podam ci w kolejnym artykule, dziś zajmiemy się elementarzem.

Na pewno spotkałeś się już z określeniem: moc tranzystora.

Co to takiego jest ta moc tranzystora?

A co to jest w ogóle moc?

Z pojęciem mocy masz do czynienia w przypadku wielu urządzeń: jakiś silnik ma moc 100 watów, grzejnik elektryczny ma moc 2000 watów, lutownica ma moc 40 W. Masz też dwie żarówki o mocy 60 W: typową na napięcie 230 V oraz samochodową na napięcie 12 V.

Wszystkie te urządzenia pobierają ze źródła energię elektryczną i zamieniają ją na inne rodzaje energii: na ciepło, na energię mechaniczną (silnik), na energię świetlną (żarówka).

Czym większa moc, tym więcej energii pobiera w każdym momencie dane urządzenie. Obie wspomniane żarówki pobierają tę samą moc 60 W. Czym się różnią? Na pewno tym, że jedna pracuje przy napięciu 12 woltów i pobiera 5 amperów prądu (co daje 12 V×5 A = 60 W), a druga, pracująca przy napięciu 230 V, pobiera nieco ponad 0,26 ampera (co też daje 230 V×0,2609 A = 60 W).

Czyli tę samą moc można uzyskać przy różnych prądach i napięciach. Oto proste wzory potrzebne do obliczeń mocy, jaką pobierają urządzenia elektryczne pracujące przy prądzie stałym (przy prądzie zmiennym dotyczą obciążenia rezystancją). Zapamiętaj je raz na zawsze:

P = U × I, ponieważ: U = I × R, po podstawieniu: P = I² × R, ponieważ: I=U/R, po podstawieniu:

Wracając do pytania o moc tranzystora: Czy chodzi o moc wydzielaną w obciążeniu? Czy może moc wydzielaną w tranzystorze? A może jeszcze o coś innego?

Wcześniej tłumaczyłem, że obwód kolektorowy tranzystora jest sterowanym źródłem prądowym, a nie zmiennym rezystorem, jednak nie zmienia to faktu, że w strukturze tranzystora przy przepływie prądu będzie się wydzielać moc strat w postaci ciepła. Wielkość tych strat cieplnych wyznaczona jest wzorem: P = U_CE×I_C

U_CE to aktualne napięcie miedzy kolektorem a emiterem, a I_C to aktualny prąd kolektora. (Ściślej biorąc, powinniśmy też uwzględnić dodatkową moc strat w obwodzie bazy równą U_BE×I_B, jednak zwykle ją pomijamy, bo jest dużo mniejsza, niż moc strat kolektora U_CE×I_C)

Jak więc rozumieć „moc tranzystora”? Chodzi tu o moc strat tranzystora, czyli o ciepło wydzielane na bieżąco w strukturze tranzystora. Moc elektryczna P = U_CE×I_C przez cały czas zamienia się na ciepło, dokładnie tak samo, jak w elektrycznym grzejniku. Krótko mówiąc, pracujący tranzystor jest niewielkim grzejniczkiem, piecykiem. Jak się łatwo domyślić, wydzielane ciepło jest produktem ubocznym, który do niczego nie jest nam potrzebny, a tylko stwarza mnóstwo problemów.

A co się dalej dzieje z tym ciepłem? Czy pozostaje ono w tranzystorze?

W żadnym wypadku! Nie masz chyba wątpliwości, że jeśli struktura tranzystora byłaby dobrze odizolowana termicznie od otoczenia, to wydzielające się i gromadzone ciepło powodowałoby wzrost temperatury. To szkodliwe ciepło trzeba odprowadzić do otoczenia i rozproszyć. Ilustruje to rysunek 1.

Zasada jest prosta: ciepło przepływa od ośrodka cieplejszego do ośrodka zimniejszego.

Wiesz już, co to jest moc strat tranzystora. Ale właśnie tu początkujący popełniają kardynalny błąd. Rozumują następująco: jeśli tranzystor może pracować przy katalogowym maksymalnym napięciu kolektora U_CE0 i maksymalnym prądzie kolektora I_cmax, to maksymalna „moc tranzystora” wynosi P=U_CE0×I_Cmax.

Jest to absolutna bzdura, nie wolno tak liczyć, trzeba poszukać w katalogu dopuszczalnej całkowitej mocy strat, oznaczanej P_tot. Zakoduj sobie pod sufitem raz na zawsze: całkowita moc strat tranzystora P_tot jest zawsze mniejsza niż iloczyn U_CE0×I_cmax.

A teraz obliczmy wspólnie, jaka moc wydzieli się w układach z rysunku 2 w tranzystorze, a jaka w obciążeniu.

Dla rysunku 2a najpierw policzymy napięcie na obciążeniu, potem napięcie na tranzystorze, a potem obie moce.

Napięcie na rezystorze obciążenia: U_R=5 mA×1 kΩ = 5 V

Napięcie na tranzystorze: U_T=12 V–5 V=7 V

Moc wydzielana w rezystorze obciążenia: P_R=5 V×5 mA=25 mW=0,025 W

Moc strat w tranzystorze: P_T=7 V×5 mA=35 mW

Dla rysunku 2b:

Moc wydzielana w żarówce: P_Z=8 V×0,5 A=4 W

Napięcie na tranzystorze: U_T=24 V–8 V=16 V

Moc strat w tranzystorze: P_T=16 V×0,5 A = 8 W

Dla rysunku 2c:

Prąd obciążenia (czyli prąd kolektora):

Moc wydzielana w rezystorze obciążenia: P_R = 10 V×50 mA = 500 mW = 0,5 W

Napięcie na tranzystorze: U_T=15 V–10 V=5 V

Moc strat w tranzystorze: P_T=5 V×50 mA=250 mW=0,25 W

dla rysunku 2d:

Napięcie na rezystorze obciążenia: U_R=20 V–8 V=12 V

Prąd obciążenia (czyli prąd kolektora):

Moc wydzielana w rezystorze obciążenia: P_R=12 V×12 μA=144 μW=0,144 mW=0,000144 W

Moc strat tranzystora: P_T=8 V×12 μA=96 μW=0,096 mW=0,000096 W

Jak widzisz, obliczenia wcale nie są trudne. Idziemy więc dalej.

Znasz już trzy ograniczenia warunków pracy tranzystora:

1. Napięcie zasilające nie może być większe niż katalogowe napięcie U_CE0. Najwyższe napięcia na kolektorze występuje w stanie zatkania tranzystora.

2. Prąd kolektora nie może być większy niż I_Cmax. Największy prąd płynie przez tranzystor w stanie nasycenia.

3. Moc strat tranzystora w żadnych warunkach nie może przekroczyć dopuszczalnej mocy strat P_tot.

Te trzy ograniczenia dla przykładowego tranzystora (U_CE0=25 V, I_Cmax =100 mA, P_tot=500 mW) zaznaczamy na rysunku 3. Jeśli napięcie i prąd na wykresie zaznaczymy w skali liniowej, wtedy linia reprezentująca moc P=U×I) będzie mieć kształt hiperboli, jak na rysunku 3.

Jeśli jednak napięcie i prąd zaznaczymy w skali logarytmicznej, wtedy krzywa ta jakby się wyprostuje. Zobaczysz to na rysunku 4. Nie ma tu żadnego oszustwa – rysunki 3 oraz 4 pokazują ten sam przypadek, tyle, że narysowany troszkę inaczej: raz w skali liniowej, raz w logarytmicznej.

W katalogach spotkasz charakterystyki podobne do rysunku 4.

Na rysunku 5 znajdziesz kopię charakterystyki konkretnych tranzystorów: BD243 i BD244, wziętą z katalogu. Tu dodatkowo masz informację, że jeśli tranzystor pracowałby w sposób impulsowy, zarówno chwilowy prąd, jak i chwilowa moc mogą być większe, niż przy prądzie ciągłym (stałym).

Zauważ jednak, że charakterystyka z rysunku 5 jest jakby dodatkowo obcięta w porównaniu z rysunkiem 4. To „obcięcie”, czyli dodatkowe ograniczenie związane jest ze zjawiskiem tak zwanego drugiego przebicia (second breakdown). Wystąpienie zjawiska drugiego przebicia doprowadza do uszkodzenia tranzystora. Szczegóły na ten temat możesz znaleźć w książkach. Nie będę ich tłumaczył, bo nie jest to teraz niezbędne. W każdym razie mamy tu kolejne ograniczenie.

W każdym razie doszliśmy do punktu szczytowego naszych dzisiejszych rozważań: projektując układ musisz zmieścić się w bezpiecznym obszarze pracy tranzystora. W katalogach często spotkasz skrót SOA lub SOAR. To właśnie skrót od Safe Operating Area (Region), czyli właśnie bezpieczny obszar pracy. Rysunek 5 pokazuje bezpieczny obszar pracy dla tranzystorów BD243 i BD244.

Ściśle biorąc, projektując układ powinieneś znaleźć w katalogu rysunek przedstawiający bezpieczny obszar pracy tranzystora (taki jak na rysunku 5), przeprowadzić obliczenia, ewentualnie zaznaczyć na rysunku zakres pracy tranzystora i upewnić się, czy mieścisz się w dozwolonym obszarze. Przykłady, które rozważaliśmy przed chwilą dotyczą najprostszego przypadku – obciążenia tranzystora rezystancją. W wielu układach sprawa jest znacznie bardziej skomplikowana. Takie na przykład tranzystory pracujące w stopniu wyjściowym wzmacniacza mocy również muszą pracować w bezpiecznym obszarze pracy i to w każdych warunkach – także w przypadku zwarcia wyjścia, dołączenia obciążenia pojemnościowego (długi kabel) czy indukcyjnego (głośnik). W ramach podstawowego kursu nie będziemy zajmować się takimi obliczeniami. Chcę tylko zasygnalizować problem, a ty z czasem samodzielnie zdobędziesz dość wiedzy, by poradzić sobie nawet z trudniejszymi zadaniami.

Na razie możesz przyjąć prostą zasadę: stosować tranzystory o parametrach przekraczających wymagane minimum. W praktyce zazwyczaj dla bezpieczeństwa stosujemy tranzystory o parametrach granicznych 50…100% większych niż planowane napięcia, prądy i moce w projektowanym układzie. Wtedy mamy margines bezpieczeństwa i nie musimy się obawiać uszkodzenia. Stosowanie tranzystorów „większych i mocniejszych”, jest też korzystne z kilku innych względów, a ewentualna drobna różnica ceny nie ma żadnego znaczenia. Nie popadnij jednak w przesadę i nie stosuj tranzystorów mocy oraz tranzystorów wysokonapięciowych tam, gdzie to nie jest konieczne.

Wydawałoby się, że sprawa jest beznadziejnie prosta i bez trudu tak dobierzesz warunki pracy (napięcie zasilania i rezystancję obciążenia) i zmieścisz się w dozwolonym obszarze pracy tranzystora. Rzeczywiście z napięciem zasilania i prądem maksymalnym sprawa jest prosta, ale z mocą strat nie pójdzie tak łatwo. W grę wchodzą tu bowiem dwa ważne zagadnienia, które musisz dobrze zrozumieć:

– zależność mocy strat od napięcia zasilania i rezystancji obciążenia,

– kwestię odprowadzania ciepła ze struktury.

Teraz zajmiemy się tylko pierwszym zagadnieniem.

Okazuje się jednak, że często nie trzeba liczyć mocy strat w wyżej podany sposób. W praktyce zwykle interesuje nas najgorszy przypadek. Jeśli obliczymy moc strat dla najgorszego przypadku, to nie ma potrzeby przeprowadzać dalszych obliczeń.

Rysunek 6 pomoże zrozumieć, co mam na myśli, mówiąc o najgorszym przypadku. Przedstawiłem na nim konkretną sytuację: jakiś tranzystor współpracuje z rezystancją obciążenia R_L przy napięciu zasilania U_zas (w tym przypadku R_L=250 Ω, U_zas=20 V). Rysunek 6b dotyczy w zasadzie układu pokazanego na rysunku 6a, ale bardzo podobnie przedstawia się sytuacja w układzie z rysunku 6c. Idąc o krok dalej możemy rozszerzyć zagadnienie: ponieważ układ scalony też zbudowany jest z tranzystorów, podobne obliczenia dotyczą również układów scalonych, w tym zwłaszcza stabilizatorów. Przykład masz na rysunku 6d. We wszystkich przypadkach (rysunki 6a, 6c, 6d) na tranzystorze występuje jakieś napięcie U_T, a na obciążeniu – napięcie U_L.

Czy dobrze rozumiesz sens tego rysunku?

Rysunek 6b mógłbyś z powodzeniem narysować sam. Wróć do rysunku 2d. Gdy prąd bazy nie płynie, nie płynie też prąd kolektora i napięcie na kolektorze jest równe napięciu zasilającemu. Gdy pojawi się prąd bazy i będzie się zwiększał, odpowiednio zwiększać się będzie prąd kolektora, a napięcie na kolektorze będzie się zmniejszać. Znając napięcie zasilające oraz rezystancję obciążenia R_L możesz przeprowadzić obliczenia dla kilku czy kilkudziesięciu napięć U_T. Możesz obliczyć nie tylko prąd kolektora, ale też moc wydzielaną w obciążeniu oraz w tranzystorze dla różnych napięć kolektora (czyli różnych prądów bazy). Gdybyś zaznaczył na wykresie punkty, dla których przeprowadzałeś obliczenia oraz połączył je ze sobą otrzymasz właśnie charakterystyki z rysunku 6b.

Na tym rysunku niebieską linią narysowałem zależność prądu kolektora od napięcia U_CE (czyli napięcia na tranzystorze), przy czym prąd kolektora zaznaczyłem na lewej skali. Jest to prosta reprezentująca obciążenie R_L. Czerwoną linią zaznaczyłem moc strat jaka będzie się wydzielać w tranzystorze. Linia fioletowa pokazuje jaka moc wydzieli się w rezystancji obciążenia (uwaga! moc zaznaczona odnosi się do skali zaznaczonej po prawej stronie rysunku).

Zauważ: przy braku prądu bazy i prądu kolektora, moc strat tranzystora jest równa zeru, bo P=U_zas×0. Na rysunku 6b pokazuje to punkt A. To oczywiste, w stanie zatkania nie płynie żaden prąd i nie ma żadnych strat mocy ani w tranzystorze, ani w obciążeniu.

Teraz zwróć uwagę, co dzieje się w stanie nasycenia – pokazuje to punkt B. Prąd jest wprawdzie duży, ale napięcie na tranzystorze jest bardzo małe (napięcie nasycenia U_CEsat rzędu dziesiątek czy setek miliwoltów). Tym samym w stanie nasycenia moc strat cieplnych wydzielonych na tranzystorze jest niewielka, można powiedzieć bliska zeru, bo P=U_CEsat×I. Jesteś zaskoczony?

Okazało się, że w stanie nasycenia, gdy płynie największy prąd, moc strat tranzystora jest bliska zeru! Tak jest! Duża moc (P = U_zas×I) wydziela się wtedy tylko w rezystancji obciążenia, a nie w tranzystorze. Krótko mówiąc, jeśli tranzystor pracuje jako przełącznik, zarówno podczas zatkania, jak i nasycenia wydziela się w nim niewielka moc strat. Już teraz powinieneś wiedzieć, że przy pracy impulsowej najwięcej strat wydziela się w krótkich chwilach przełączania. Do tego zagadnienia być może jeszcze wrócimy. Na razie zajmujemy się tranzystorem podczas pracy liniowej.

Jak widzisz z rysunku 6b, największa moc wydziela się w tranzystorze, gdy napięcie kolektora jest równe połowie napięcia zasilającego. I właśnie to jest ten najgorszy przypadek, o którym wspomniałem. Najgorszy, bo moc strat w tranzystorze jest wtedy największa. Na rysunku 6b pokazuje go punkt C.

Jak łatwo zauważyć, moc strat w tranzystorze jest wtedy równa mocy strat w obciążeniu. Jeśli tak, to maksymalną moc strat, jaka wydzieli się w tranzystorze, można obliczyć w beznadziejnie prosty sposób: ponieważ w najgorszych warunkach moc strat tranzystora jest równa mocy strat w rezystancji obciążenia R_L, a napięcie zasilania dzieli się na dwie równe części, obliczamy:

Tak obliczona moc oczywiście nie może być większa, niż odczytana z katalogu moc strat tranzystora P_tot.

Powyższy wzór po przekształceniu pozwoli obliczyć minimalną rezystancję obciążenia przy danym napięciu zasilającym i katalogowej mocy strat:

Pozwoli też obliczyć maksymalne napięcie zasilania dla danej oporności obciążenia i katalogowej mocy strat:

Jak się przekonałeś, nie trzeba być orłem w matematyce. Powyższe wzory też powinieneś zapamiętać, albo zapisać sobie na widocznym miejscu. Są to wzory dotyczące największej mocy strat, jaka wydzieli się w tranzystorze przy napięciu zasilającym U_zas i rezystancji obciążenia R_L.

A może jeszcze zapytasz, jak te obliczenia mają się do krzywej reprezentującej maksymalną moc strat tranzystora, pokazanej na rysunku 3 oraz 4?

To ciekawe pytanie!

Sprawdźmy razem, czy nasz przykładowy tranzystor o charakterystykach z rysunków 3 oraz 4 może pracować w układzie z rysunku 6a przy napięciu 25 V o rezystancji obciążenia 250 Ω, gdzie napięcie na tranzystorze może się płynnie zmieniać od zera do pełnego napięcia zasilania?

Obliczamy moc strat dla najgorszego przypadku:

Ponieważ podczas pracy może wystąpić ten najgorszy przypadek, nasz przykładowy tranzystor w podanych warunkach będzie przeciążony. Ale czy mógłby pracować w jakimś układzie przełączającym, gdzie występują tylko dwa stany: zatkania i nasycenia? Ponieważ w obu tych stanach moc wydzielana w tranzystorze jest równa lub bliska zeru, jest to możliwe. Nie musimy obliczać mocy dla najgorszego przypadku, bo ten przypadek w układzie przełączającym nigdy nie występuje.

Wracając do rysunku 3 można powiedzieć, że aby nie przekroczyć dopuszczalnej mocy strat, musimy zmieścić się z naszą prostą obciążenia w bezpiecznym obszarze pracy tranzystora. Kilka przykładów znajdziesz na rysunku 7. Masz tu proste obciążenia dla różnych napięć zasilania i różnych rezystancji obciążenia.

Na rysunku 7 proste obciążenia pokazałem na tle „liniowego” rysunku 3. Spróbuj samodzielnie zaznaczyć podobne linie na rysunkach 4 oraz 5. Czy będą to proste? Sprawdź zaznaczając kilka punktów.

W rzeczywistym układzie tranzystor będzie pracował przy napięciu zasilającym U_zas znacznie mniejszym, niż dopuszczalne napięcie U_CE0, a zastosowana rezystancja obciążenia w kolektorze ograniczy maksymalny prąd do wartości znacznie mniejszej niż I_Cmax. Jak już mówiłem, zapas rzędu 50…100% jest tu jak najbardziej na miejscu.

Ćwiczenia dotyczące pracy liniowej

Ćwiczenie 1.

Tranzystor ma następujące parametry: U_CE0=25 V, I_Cmax=300 mA, P_tot=100 mW.

a) Dorysuj na rysunku 8 krzywą reprezentującą moc maksymalną 100 mW.

b) Oblicz, jaka maksymalna moc wydzieli się (w najgorszym przypadku) w tym tranzystorze w następujących warunkach:

1. U_zas = 10 V, R_L = 1 kΩ
2. U_zas = 25 V, R_L = 390 Ω
3. U_zas = 9 V, R_L = 51 Ω
4. U_zas = 25 V, R_L = 100 Ω

c) Zaznacz na rysunku 8 proste obciążenia dla tych czterech przypadków. Czy tranzystor może pracować w takich warunkach?

Rozwiązanie ćwiczenia 1.

a) Krzywa reprezentująca moc maksymalną 100 mW przedstawiona jest na rysunku 9.

b) obliczone moce maksymalne przy powyższych warunkach w najgorszych przypadkach:

c) Proste obciążenia dotyczące tych czterech przypadków są przedstawione na rysunku 10. Zielona prosta oznacza, że tranzystor może pracować w tych warunkach, natomiast czerwone proste oznaczają, iż tranzystor nie może pracować w zadanych warunkach.

Ćwiczenie 2.

a) Mając tranzystor o parametrach jak w poprzednim ćwiczeniu oblicz, jaka może być minimalna rezystancja obciążenia w układzie z rysunku 11.

b) A jaka moc wydzieli się w tej rezystancji przy pełnym otwarciu (nasyceniu) tranzystora?

Rozwiązanie ćwiczenia 2.

a) Minimalna rezystancja obciążenia jest równa:

b) Moc jaka wydzieli się przy pełnym otwarciu tranzystora wynosi:

Ćwiczenie 3.

W układzie z rysunku 12 chcemy zastosować tranzystor o parametrach: U_CE0=45 V, I_Cmax=500 mA, P_tot=300 mW. Oblicz, w jakim zakresie napięć zasilających nie będzie on przeciążony.

Rozwiązanie ćwiczenia 3.

Napięcie zasilające nie może być wyższe niż:

Ćwiczenie 4.

Tranzystor T w układzie stabilizatora z rysunku 13 ma następujące parametry: U_CE0=50 V, I_Cmax=100 mA, P_tot=300 mW

Oblicz, jaki prąd maksymalny może płynąć przez ten tranzystor przy napięciu wyjściowym stabilizatora równym 5 V. Przeprowadź obliczenia dla dwóch napięć zasilających:
a) U_zas = 25 V
b) U_zas = 7 V

Rozwiązanie ćwiczenia 4.

Prądy maksymalne przy podstawionych napięciach zasilających płynące przez tranzystor przy napięciu wyjściowym stabilizatora 5 V wynoszą:

W punkcie b) przez tranzystor T nie powinien płynąć taki prąd – jest on o 50% większy niż I_Cmax ! W związku z czym maksymalny prąd jaki powinien popłynąć przez ten tranzystor wynosi 100 mA. W takim przypadku koniecznie trzeba wymienić zaproponowany tranzystor na inny model, który posiada I_Cmax co najmniej 200 mA. Dlaczego aż tyle ? Ponieważ tranzystor o prądzie I_Cmax =150 mA będzie pracował na granicy dopuszczalnego dla siebie prądu.

Ćwiczenie 5.

Mając tranzystor o parametrach: U_CE0=45 V, I_Cmax=500 mA, P_tot=300 mW sprawdź, czy może on pracować w układzie płynnej regulacji jasności świecenia zespołu żółtych diod LED w układzie z rysunku 14.

Rozwiązanie ćwiczenia 5.

Tranzystor o podanych parametrach po obliczeniu jego dopuszczalnej mocy strat P_tot dla najgorszego przypadku nie powinien pracować w aplikacji wg powyższego rysunku.

Obliczona moc strat jest na granicy P_tot tranzystora, która wynosi 300 mW. Należy jeszcze uwzględnić, że jeśli napięcie przewodzenia żółtych diod LED będzie niższe (co może się zdarzyć ze względu na rozrzut ich parametrów) obliczona moc strat będzie jeszcze większa. Należałoby zastosować tranzystor o większej dopuszczalnej mocy strat – najlepiej dla bezpieczeństwa co najmniej 400 mW.

Powtórka

Każdy stosowany przez ciebie tranzystor musi pracować w tak zwanym bezpiecznym obszarze pracy.

Obszar ten jest ograniczony przez:
– maksymalne napięcie kolektora U_CE0
– maksymalny prąd kolektora I_Cmax
– dopuszczalną moc strat P_tot
– zjawisko tak zwanego drugiego przebicia.

Obszar bezpiecznej pracy zazwyczaj podany jest w katalogu w postaci rysunku.

W praktyce należy unikać pracy tranzystora przy napięciu, prądzie i mocy zbliżonych do maksymalnych. Zastosowanie tranzystora „większego i silniejszego” o 50…100% niż wymagane minimum jest korzystniejsze i pozwala uniknąć długich obliczeń.

Jeśli wydaje ci się, że już wiesz wszystko na temat mocy strat tranzystora, to muszę cię zmartwić. Gdyby nasze rozważania dotyczyły tylko tranzystorów małej mocy, podane wiadomości od biedy by wystarczyły. Ale w przypadku tranzystorów większej mocy wchodzą w grę dodatkowe czynniki. Podana w katalogu dopuszczalna moc strat P_tot jest ściśle związana z temperaturą struktury półprzewodnikowej i skutecznością odprowadzania stamtąd ciepła. Tym ważnym tematem zajmiemy się w kolejnym odcinku.

Piotr Górecki