Tranzistor po lopatě – výkonové tranzistory

V dnešním pokračování si popíšeme výkonové bipolární tranzistory, opět bez velkých teorií a vysvětlování ve stylu, jako byste se chystali tranzistory vyrábět.

Začneme tím, čím se výkonový tranzistor liší od tranzistoru univerzálního, například BC546B. Výkonový tranzistor je určen k tomu, aby jím mohly téct větší proudy, než je tomu u tranzistorů univerzálních a je konstruován ohledně svého pouzdření (mechanického uspořádání) tak, aby jej bylo možno opatřit chladičem. Tranzistory mohou být celé montovány na blok chladiče, jako je tomu například u pouzdra TO3, mohou být opatřeny chladící plochou s otvorem, za kterou se přimontují na chladič, příkladem pouzdro TO220 atp. Mohou být také v provedení SMD, například pouzdro SOT89, kdy se chladící ploška připájí přímo na plošný spoj a teplo je z tranzistoru odváděno, a do prostředí vyzařováno, částečně také plošným spojem, na kterém je tranzistor osazen.

Je jasné, že výkonový tranzistor použijeme tam, kde chceme spínat větší proudy, ale především tam, kde výkonová ztráta na tranzistoru bude nezanedbatelná, tedy tam, kde tranzistor pracuje v režimech, kdy se zcela neotevírá a nezavírá. Často se s výkonovými tranzistory setkáte v koncových stupních výkonových audiozesilovačů, které pracují právě v režimu, kdy jsou tranzistory pootevřeny, je na nich nezanedbatelné napětí, a teče jimi nezanedbatelný proud. Pokud si to demostrujeme na příkladu, kolik výkonu musí tranzistor vyzářit (předat okolí), snadno pochopíte, o co jde. Podívejme se na obrázek.

Obr. 4

Na obrázku 4 je tranzistor zapojený se společným emitorem, jak už jsme jej viděli v předchozích dílech. Pokud tranzistorem neteče žádný proud, je sice napětí mezi kolektorem a emitorem maximální možné, tedy napájecí, ale proud tekoucí tranzistorem nulový, tedy výkonová ztráta na tranzistoru je P[W]=V[V]*I[A], tedy P=0W. V opačné situaci, kdy je tranzistor zcela otevřen, je napětí mezi kolektorem a emitorem téměř nulové (ne uplně) a i když proud kolektorem je značný, výkon, který musí vyzářit tranzistor do okolí v podobě tepla je ne nulový, ale zase relativně nízký. Proč píšu relativně? Když se podíváme do katalogového listu například výkonového tranzistoru BD911, zjistíme, že při proudu kolektorem 5A, bude napětí mezi kolektorem a emitorem 0.5V. P=0.5V*5A, tedy dobrých 2.5W. Zanedbal jsem ohledně výpočtu výkonu proud bází a napětí mezi bází a emitorem, ale pro základní pochopení to není podstatné. Pokud se podíváme na situaci se stejným tranzistorem, ale při proudu kolektorem 10A, je už napětí mezi kolektorem a emitorem 3V, a 30W, to už je poměrně dost tepla. Stále to ale není nic proti tomu, když bude transitor pootevřen tak, že příkladem při napájecím napětí 24V, bude na kolektoru vůči emitoru 12V a proud kolektorem 5,7A, kdy výkonová ztráta na tranzistoru dosáhne 12V x 5.7A = 68.4W. Jak jsem přišel na takovou hodnotu? Pokud jsem dříve prohlásil, že napájecí napětí je 24V a budu mít na zcela otevřeném tranzistoru 3V mezi kolektorem a emitorem, při proudu 10A, pak je jasné, že rezistor nad kolektorem musí mít hodnotu (24V-3V)/10A=2.1Ohmů. Mimochodem, na onom odporu by byla při plně otevřeném tranzistoru výkonová ztráta 21V*10A=210W ! Jistě někdo namítne, že proti rychlovarné konvici to ještě není až takový výkon, ale kdo se někdy zabýval chovem akvarijních rybiček, dokáže si představit, jak by topilo takové topné těleso.

Ve většině případů je ohřívání tranzistoru na škodu, používáme ho přece proto, abychom výkon přenášeli jinam, třeba do reproduktoru audiozesilovače. Vyjímkou jsou aplikace, kde se výkonový tranzistor použije jako topné těleso, protože je snadno namontovatelný právě tam, kde něco ohřívat potřebujeme.

Výkonový tranzistor má uplatnění i zapojený se společným kolektorem, tedy jako emitorový sledovač. Již v předchozím díle jsme si řekli, že pokud připojíme tranzistoru zátěž pod emitor a napájení připojíme na kolektor, bude na emitoru napětí vuči zemi (zápornému pólu napájení) takové, jaké je mezi bází a zemí, ale snížené o napětí mezi bází a emitorem, které je téměř konstantní (ale ne dokonale konstantní při různě velké proudové zátěži, tedy při různém prudu bází). Pokud v takovém zapojení připojíme mezi bázi a zem nějaké konstantní napětí, bude i mezi emitorem a zemí konstantní napětí, ale s tím, že je možné jej proudově mnohem více zatížit. Tranzistor v tomto případě zesiluje proud. Pokud přivedeme mezi bázi a zem stabilizované napětí, bude stabilizované i mezi emitorem a zemí, tedy proudově si posílíme stabilizátor napětí (napěťovou referenci). Takové zapojení najdete uvnitř běžných stabilizátorů napětí, jen s tím rozdílem, že výstupní napětí mezi emitorem a zemí je vedeno ve vnitřním zapojení; u nastavitelných stabilizátorů i vně; zpět zápornou zpětnou vazbou, a tak je napětí na výstupu stabilizátoru konstantní i v případě, že se mění proudový odběr na výstupu stabilizátoru ve velkých mezích. I v těchto zapojeních platí, co jsme si řekli o výkonech, které přeměňuje tranzistor v teplo. Nyní už tedy víte, proč takovýto stabilizátor, zvaný lineární (existují i spínané, ale to je jiné téma), topí, a proč topí tím více, čím větší je rozdíl mezi napájecím napětím a výstupním napětím, ve vztahu k odebíranému proudu z jeho výstupu. Pokud použijeme stabilizátor L7805 a budeme jej napájet z 12V, odebírat z něj 1A, pak (12V-5V)*1A=7W, k jejichž uchlazení už je potřeba poměrně velký chladič, ne malé křidélko, jen aby se neřeklo.

Obr. 5

Na obrázku 5 vidíte zapojení velice jednoduchého stabilizátoru napětí. Pracuje tak, že přes rezistor teče proud dále do zenerovy diody a pak k zemi. Zenerova dioda se vyznačuje tím, že je na ní v závěrném směru konstantní napětí při různě velkém proudu, který jí protéká, nebo lépe řečeno, napětí na ní se mění pro různé proudy jen málo. Pokud použijeme například zenerovu diodu označenou 5V6, bude na ní napětí Vz přibližně 5.6V. Přibližně proto, že i jednotlivé kusy se vzájemně ohledně zenerova napětí liší, i když díky dnešním technologiím už ne tak, jako se lišily v dobách minulých. Napětí Vout je pak rovno rozdílu Vz-Vbe, tedy přibližně 5V. Aby toto zapojení dobře pracovalo, je nutné, aby napájecí napětí Vin bylo dostatečně velké, a také aby byl v zapojení vhodně zvolen rezistor. Hodnota rezistoru, pro jaký ztrátový výkon je určena použitá zenerova dioda, jaký tranzistor použijeme, jaké je napětí Vin, to všechno závisí na konkrétní aplikaci.

Samozřejmě je snahou konstruktérů, aby se tranzistor ve většině aplikací zahříval co nejméně. Proto se například v audiozesilovačích často setkáte s komplementární dvojicí tranzistorů – obrázek 6.

Obr. 6

Nejprve upozorním, že zde je záměrně nakresleno napájecí napětí kladné, záporné a zem, konkrétní hodnoty ponechme stranou. Jak vidíte, ze dvojice tranzistorů se vždy otevírá jen jeden z tranzistorů. Při napětí na vstupu nad úrovní země NPN, pro napětí pod úrovní země se otevírá PNP. Jako většina vecí na světě, které jsou něčím výhodné, má i toto zapojení svou nevýhodu. Tou nevýhodou je, že existuje stav, kdy je výstup jako by odpojen, oba tranzistory zavřeny, v tomto případě ve stavu, když na vstup připojíme zem, a nebo velice malé napětí vůči zemi. Stačí si představit, že napětí mezi bází a emitorem musí být alespoň několik desetin Voltu, aby se tranzistor pootevřel, a tak zjistíme, že v tomto zapojení na obě strany od země existuje pásmo, kdy je výstup vlastně odpojen. V tomto pásmu by takový koncový stupeň u audiozesilovače zkresloval signál, což si můžete představit tak, jako by byla vyříznuta část sinusového průběhu v blízkosti nuly (země) a zbývající vrchní a spodní části této sinusovky sraženy k sobě na její střed – obrázek 7.

Obr. 7

Z takového sinusového průběhu nebude mít jistě žádný audiofil radost, tento jev rozezná ve zvuku každý běžným sluchem vybavený člověk. Tento jev se nazývá přechodovým zkreslením. Návrháři audiozařízení se snaží tomuto jevu zabránit více způsoby. Jedním z nich je zavést klidový proud, tedy pomyslně roztáhnout báze tranzistorů od sebe a nechat oba tranzistory propouštět nejaký proud i ve stavu, kdy jsou bez tohoto vylepšení oba v zavřeném stavu. Další metodou je zavedení zpětné vazby, kdy se pomocí ní snaží zapojení přejíždět přes střed tak rychle, jak je to jen možné. A samozřejmě jsou zde i další způsoby a různé jejich kombinace, snažící se přiblížit dokonalosti.

Možná Vám to teď připadá, že jsem plynule přešel od robotického tématu jinam, k audiu. Jenže my zde hovoříme o výkonových tranzistorech a právě takto lze asi nejsnáze a nejsrozumitelněji některé věci vysvětlit. A nakonec, i v robotu se Vám někdy může zesilovač hodit, proč by Vám Vámi vlastnoručně stvořený klon R2D2 nemohl zahrát ukolébavku před spaním?

Měli bychom si říci ještě jednu věc, týkající se výkonových tranzistorů. Většinou nemají tak velký proudový zesilovací činitel, jako je tomu u malých univerzálních tranzistorů, přičemž při rostoucím proudu kolektorem ještě klesá. Pokud ale potřebujeme proud bází na úrovni několika set mA, jistě je nemůžeme získat z výstupů běžných logických integrovaných obvodů či jednočipových mikropočítačů (MCU). Existují ale i výkonové tranzistory, které jsou uspořádány uvnitř pouzdra v darlingtonově zapojení – obrázek 8. Takto uspořádané tranzistory potřebují pro své otevření mnohem menší proud bází, než je tomu u jednoduchých tranzistorů.

Obr. 8

Výhodou je, že takovéto zapojení má mnohem větší proudový zesilovací činitel, než pouhý jeden tranzistor. Příkladem BDX53C má proudový zesilovací činitel vyšší než 750. Zaplatíme za to ovšem větším napětím mezi kolektorem a emitorem při plně otevřeném tranzistoru, což může být dost důležité z hlediska výkonové ztráty. Záleží pak na konkrétní aplikaci, co a jak použijeme.

Pro spínací účely, ale nejen pro ně, se dnes často používají MOSFET. Jsou to unipolární tranzistory, které v otevřeném stavu vykazují minimální odpor a vzniká tak na nich mnohem menší výkonová ztráta při plném otevření, než na tranzistorech bipolárních.