Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych

ghost666 05 Lip 2018 22:11 1116 2
  • W poprzedniej części cyklu omawialiśmy tranzystory bipolarne mocy. Czasami zdarza się jednak, że pojedynczy tranzystor nie jest w stanie zrealizować zadania, jakie chcemy. W części 9 cyklu, gdy mówiliśmy o tranzystorach mocy wykorzystaliśmy tranzystor STD1802 do aktywacji cewki elektromagnesu. W tekście tym wyliczyliśmy, że aby sterować prądem na poziomie 2 A prąd bazy tego tranzystora osiągnie około 100 mA. Jeśli chcemy wysterować taki tranzystor z wyprowadzenia mikrokontrolera, to może okazać się to problemem - większość z tych układów jest w stanie pracować z prądem wyjściowym na poziomie około 4..8 mA maks.

    Powyższy problem wynika z faktu, że tranzystor mocy, jaki wykorzystaliśmy, ma wzmocnienie na poziomie około 200, a dodatkowo musimy mocno przesterować bramkę, aby być pewnym, iż jest w stanie pełnej saturacji. Jeśli założymy sobie przesterowanie bazy na poziomie 10x, to efektywnie mamy jedynie 20 krotne wzmocnienie sygnału - stąd tak duży prąd bazy dla dosyć dużego prądu kolektora.

    Jeśli chcemy zaprojektować układ, który dla prądu kolektora równego 2 A sterowany będzie prądem bazy na poziomie 4 mA, potrzebujemy wzmocnienia równego 500 (2 A / 4 mA). Jeśli teraz nałożymy na to podobne wymaganie jak poprzednio - przesterowanie 10x - wychodzi nam, że potrzebujemy elementu o wzmocnieniu równym 5000. Oczywiście być może nie potrzebujemy aż 10x przesterowania, a 2x - 4x to bezwzględne minimum, aby być pewnym iż tranzystor znajdzie się w stanie saturacji. W takich warunkach nadal potrzebujemy wzmocnienia na poziomie 1000 - więcej niż jesteśmy w stanie osiągnąć z jednego tylko tranzystora.

    Skoro jeden tranzystor nie daje rady, może wykorzystać dwa? Jeden kontrolowałby drugi. Istnieje kilka sposobów, na które wykorzystać można tranzystor do załączania drugiego tranzystora.

    Możemy na przykład wykorzystać omawiany już 2N3904 do załączenia STD1802. Jak pamiętamy z ósmej części maksymalny prąd kolektora 2N3904 wynosi 200 mA, więc w zupełności wystarczy do saturacji bramki tranzystora większej mocy. Poniżej zaprezentowano schemat ideowy, który prezentuje właśnie taki układ dwóch tranzystorów, które sterują cewką elektromagnesu:

    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych


    Niestety tego rodzaju układ ma szereg wad. Po pierwsze odwraca sygnał, jakim sterujemy solenoid. Po drugie, jako że musimy włączyć 2N3904 aby wyłączyć STD1802, to układ będzie pobierał spory prąd, gdy uzwojenie będzie wyłączone - nie wróży to zbyt wysokiej wydajności energetycznej takiego systemu.





    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych


    Dobrą alternatywą jest zastosowanie zamiast pierwszego tranzystora 2N3906 - komplementarnego do 2N3904 tranzystora PNP - który będzie załączał STD1802. W takiej konfiguracji układ będzie wyglądał następująco:

    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych


    Układ nadal wymaga odwrotnego sterowania, aby kontrolować uzwojenie elektromagnesu, ale tym razem prąd płynie przez układ tylko, gdy tranzystor mocy jest załączony, co zmniejsza zużycie energii w systemie.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych


    Jeśli chcemy uniknąć konieczności odwracania sygnału sterującego, to możemy wykorzystać inny układ. Przykład układu, który nie wymaga odwracania sygnału pokazany jest na poniższym schemacie ideowym:

    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych


    Tego rodzaju układ, nazywany jest układem Darlingtona. Na jego temat znajdziemy sporo na Wikipedii, lub stronach poświęconych podstawom elektroniki. Omawianie tego elementu na łamach tego artykułu skróćmy zatem do minimum.

    Tranzystory w układzie Darlingtona dostępne są komercyjne w postaci układów półprzewodnikowych w obudowach podobnych do zwykłych tranzystorów BJT. Odróżnia je większe wzmocnienie - to na czym nam tak zależało w powyższym przykładzie. Niestety - nie ma nic za darmo i takie rozwiązanie ma też swoje wady. Jakie? Tego dowiemy się, analizując kartę katalogową przykładowego elementu.

    W tym artykule omawiać będziemy - jako przykład - tranzystor Darlingtona oznaczony FZT603 i produkowany przez Diodes Inc. Jego kartę katalogową znaleźć możemy tutaj. Dobrze jest wydrukować ją sobie lub chociażby mieć otwartą na komputerze podczas czytania tego artykułu.

    Jak widzimy na pierwszej stronie jest to tranzystor Darlingtona typu NPN o napięciu pracy do 80 V i prądzie kolektora do 2 A. Układ produkowany jest w obudowie SOT-223 do montażu powierzchniowego. Jest ona minimalnie mniejsza niż obudowa DPAK, którą omawialiśmy jakiś czas temu. Koniecznie będzie trzeba sprawdzić jej rezystancję cieplną.

    Na drugiej stronie karty katalogowej znajdujemy potrzebne nam informacje dotyczące parametrów termicznych układu. W tym przypadku w tabeli mamy cztery różne wartości tak dla maksymalnej rozpraszanej mocy, jak i RθJA - rezystancji cieplnej złącze-otoczenie. Każda z podanych wartości opisana jest krótką notką - od 5 do 8 - informującą o warunkach, dla których dany parametr przyjmie właśnie taką wartość.

    Gdy spojrzymy na te notki widzimy, że wartości te zmieniają się dla powierzchni pada kolektora na płytce drukowanej. Podobnie jak dla obudowy DPAK ciepło odbierane jest z tego elementu przez ścieżki i rozpraszane przez płytkę drukowaną. W tym przypadku widzimy, że zwiększenie powierzchni pola lutowniczego kolektora (największe z wyprowadzeń obudowy) może nawet podwoić maksymalną ilość rozpraszanej mocy.

    W karcie katalogowej widzimy też zakres temperatur pracy złącza. Dzięki temu możemy obliczyć maksymalny poziom rozpraszanej mocy znając rezystancję termiczną. Sprawdźmy zatem, czy podane wartości mają sens. Pamiętamy wzór na maksymalną rozpraszaną moc (PD = ΔT/RθJA), więc możemy zaczynać.

    Dla najmniejszej powierzchni pola lutowniczego, jaką przewiduje karta katalogowa (minimalne pole pozwalające przylutować element), przy temperaturze otoczenia równej 25ºC układ jest w stanie rozproszyć maksymalnie: PD = (150-25)/104 =1,2 W - dokładnie tyle, ile podaje karta katalogowa. Posiadanie informacji na temat rezystancji cieplnej układu jest niezwykle istotne, jeśli chcemy wyznaczyć maksymalny poziom rozpraszanej mocy dla różnych temperatur. Dobrze, że producent zgromadził wszystkie niezbędne informacje w jednym miejscu.

    Na stronie trzeciej widzimy szereg wykresów informujących o poziomie rozpraszanego ciepła, a także o bezpiecznych zakresach działania elementu. Producent wie, że element będzie używany raczej do przełączania większych prądów, więc w karcie katalogowej zawarte są wszystkie informacje, jakich potrzebować może projektant, który musi w swoim układzie wykorzystać tranzystor mocy.

    W naszej aplikacji tranzystor Darlingtona przełączać ma uzwojenie elektromagnesu, przez które płynie prąd równy 2 A, jak widzimy na wykresie pokazującym bezpieczne parametry użytkowania. W szczególności istotna jest dla nas krzywa opisująca używanie elementu z prądem DC. Obszar nią opisany to obszar w którym powinny znaleźć się nasze parametry, jeśli chcemy, aby tranzystor był bezpieczny. Z wykresu odczytujemy, że aby pracować z prądem kolektora równym 2 A, napięcie kolektor-emiter musi być poniżej 1 V. Jesteśmy w omawianej aplikacji na granicy tego zakresu. Oznacza to, że lepiej jest dobrać do układu trochę większy tranzystor niż ten - on mógłby nam długo nie posłużyć.

    Oczywiście w karcie katalogowej znajdziemy także wiele innych istotnych informacji, a nie tylko wiadomość o tym, ile rozproszyć mocy może wybrany tranzystor.

    Na stronie czwartej widzimy, że wzmocnienie stałoprądowe (DC) wynosi dla tego elementu od dwóch do stu tysięcy. Maksymalne wzmocnienie przypada na prąd kolektora równy 500 mA - nasz dwuamperowy tranzystor najlepiej działa dla ok. połowy ampera... Na przyszłość - szukając elementu na 2 A, wpiszmy w wyszukiwarce prąd kolektora co najmniej 3 A.

    Minimalne hFE tranzystora wynosi 2000 dla prądu kolektora 2 A. To istotnie mniej niż założone 5000, ale nadal cztery razy więcej niż potrzebne nam 500.

    Idąc dalej, w dół tabelki napotykamy na VCE(sat), czyli napięcie kolektor-emiter w stanie nasycenia. Przy prądzie 2 A wynosi ono do 1,13 V. W takim stanie prąd bazy wynosi 20 mA. Jeśli teraz wrócimy do wykresu obrazującego bezpieczny zakres pracy tranzystora, to widzimy, że aby utrzymać tranzystor z prądem kolektora równym 2 A, będziemy musieli nieznacznie wyjść poza bezpieczne granice.

    Czym jednak są te bezpieczne granice i w jaki sposób są wyznaczane? Z wykresu, z jakiego korzystamy do estymacji bezpiecznych dla tranzystora parametrów pracy, wynika, że układ ma moc maksymalną 2 W, a z tabelki wynika, że w pewnych warunkach możemy rozproszyć z pomocą tego tranzystora nawet do 3 W. Skąd ta różnica?

    Przeliczmy zatem najgorszy możliwy scenariusz dla rozpraszania mocy na układzie. Z jednej strony mamy 2 A płynące przez kolektor i VCE równe 1,13 V - to 2,26 W ciepła na tranzystorze z prądu kolektora. Dalej - prąd bazy; wynosi on 20 mA przy napięciu 1,95 V, co daje nam kolejne 39 mW. Łącznie mamy 2,3 W. Jeśli porównamy to z danymi dotyczącymi charakterystyk termicznych tranzystora w karcie katalogowej, to widzimy, że producent podaje maksymalną rozpraszaną moc równą 3 W w momencie, gdy pole miedzy na którym znajduje się wyprowadzenie kolektora ma wymiar 50 mm x 50 mm. To bardzo dużo - sam element ma wielkość 6,5 mm x 7 mm. Taka wylewka miedzi ma niemalże 100 razy większą powierzchnię. Co to oznacza? Zasadniczo możemy użyć tego tranzystora do aplikacji, gdzie rozpraszana moc wyniesie nawet 3 W, ale jest to wysoce niepraktyczne - do tego stopnia, że sam producent sugeruje tego nie robić, mimo iż szczerze informuje nas, iż jest to możliwe.

    Dla tranzystora dostępny jest model SPICE. Poniżej widzimy go w układzie (wraz z modelem poniżej) na schemacie ideowym. Poniżej schematu znajdują się wyniki symulacji SPICE dla tego układu.

    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych
    Jak czytać karty katalogowe? Część 10 - więcej o tranzystorach bipolarnych


    Z dokładnością do szpilek w przebiegu podczas załączania i wyłączenia prądu na uzwojeniu (które w rzeczywistości najpewniej będą istotnie mniejsze) symulacja jest dokładnie taka, jak się spodziewaliśmy.

    Możemy teraz jeszcze zwrócić uwagę na dwa wykresy na stronie trzeciej karty katalogowej. Jeden z nich opisuje Przejściową Impedancję Termiczną układu - rezystancję termiczną tranzystora w funkcji długości trwania impulsu oraz wykres maksymalnej mocy impulsu w funkcji czasu jego trwania. Widzimy, że element ten doskonale nadaje się do załączania prądu w naszym uzwojeniu tylko na chwilę. Jeśli chcielibyśmy, aby cewka pracowała impulsowo, to tranzystor ten nadaje się doskonale. Jeśli chodzi o pracę ciągłą, to przy odpowiednim chłodzeniu będzie on poprawnie działał, aczkolwiek jest to dalekie od optymalnego i lepiej sięgnąć po większy element.

    Powyższy artykuł konkluduje część cyklu poświęconą tranzystorom bipolarnym. W kolejnej części przyjrzymy się kartom katalogowym innej, bardzo popularnej klasy tranzystorów - tranzystorom polowym (FETom). Do tego czasu zachęcam do czytania tej i poprzednich części, komentowania i zadawania pytań.

    Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-more-on-bjts]Link


    Fajne!
  • #2 07 Lip 2018 16:51
    AGrodecki
    Poziom 12  

    Nie bardzo rozumiem, co te radioamatorskie kalkulacje mają wspólnego z czytaniem not katalogowych?
    W kategorii "elektronika dla początkujących" jest kilka pozycji książkowych, całkiem niezłych i od lat nie starzejących się. Ten tekst im nie dorasta a już na pewno nic nowego nie wnosi. Więc po co? Grafomania?

  • #3 13 Lip 2018 11:28
    djfarad02
    Poziom 17  

    AGrodecki napisał:
    Nie bardzo rozumiem, co te radioamatorskie kalkulacje mają wspólnego z czytaniem not katalogowych?
    W kategorii "elektronika dla początkujących" jest kilka pozycji książkowych, całkiem niezłych i od lat nie starzejących się. Ten tekst im nie dorasta a już na pewno nic nowego nie wnosi. Więc po co? Grafomania?

    Jaką wartość merytoryczną ten post wnosi na forum? Nawet nie podałeś tytułów rzeczonych książek.