Adam Cebula „Emocjonalnie o tranzystorach” (2)

Para-Nauka Adam Cebula - 30 grudnia 2016

Lampy długo zachowały zasadniczą przewagę nad tranzystorami. Paradoksalnie dotyczyło to układów, w których chodziło o mikrusie co do mocy i napięcia stopnie wysokiej częstotliwości. Długo tzw. głowice telewizyjne musiały być lampowe. Dlaczego? Wspomniana niezwykła konstrukcja TG 40 kończyła się tak naprawdę w okolicy kilku MHz. Sygnały telewizyjne to częstotliwości wówczas w okolicy 100 MHz. Tylko lampy pozwalały je wzmacniać.

Inna cecha tranzystorów rugowała je z „poważniejszych” układów odbiorników komunikacyjnych pracujących np. na statkach obsługujących „służbową” łączność. To była silna nieliniowość charakterystyki bazowej. Prąd bazy zmieniał się nieliniowo z napięciem. To powodowało, że tranzystor potrafił zmieszać ze sobą sygnał silnej i słabej radiostacji tak, że nie dało się później nijak ich rozdzielić. W stopniach wejściowych ważnych odbiorników stacyjnych długo musiały pracować lampy. Pomimo że były już świetne tranzystory, które radziły sobie doskonale z wysokimi częstotliwościami.

Innym newralgicznym parametrem była moc strat. Co to jest? Prąd, płynąc przez urządzenie (dowolne), wydziela ciepło. Spełniona jest zasada zachowania energii. Co zostało doprowadzone z zasilnia, musi zostać odprowadzone albo w postaci innej formy energii, np. (w silniku) mechanicznej, albo w postaci ciepła. Tranzystor może się jedynie grzać. Owa moc strat określa, ile watów ciepła może się wydzielić w określonych warunkach. Te warunki to kąpiel olejowa, która utrzymuje temperaturę powierzchni 25 stopni Celsjusza.

W takich warunkach nasz TG2 i jemu podobne wytrzymywały wydzielanie mocy 75 miliwatów. To siedem i pół setnych wata. Bardzo mało. Tym bardziej że nawet jeśli wnętrze (powiedzmy) radia się nie ogrzało, to temperatura powierzchni tranzystora była w powietrzu znacznie wyższa, niż w owej kąpieli.

Przedmiotem pożądania majsterklepków były tranzystory takie jak TG 70. Na swoje czasy niemal kosmiczne urządzenie, można było na tym zbudować wzmacniacz do gitary elektrycznej. Moc strat tych tranzystorów wynosiła 10 watów. Oczywiście przy utrzymaniu temperatury obudowy 25 stopni. Oznaczało to, że w układzie tzw. wzmacniacza przeciwsobnego pracującego w klasie B (cokolwiek to znaczy) z pary takich TG 70 (trudno, do zbudowania stopnia przeciwsobnego potrzeba nad dwóch) można by wycisnąć aż 50 watów mocy elektrycznej zasilającej kolumny. Po prostu bębenki w uszach pękają. Trzeba by pewnie chłodzić wzmacniacz wodą z lodem, ale teoretycznie  było to możliwe.

Gdy nasze dzielne i socjalistyczne zakłady wypuszczały pierwsze TG 1 i TG 5, to na zgniłym Zachodzi produkowano już pierwsze układy scalone na krzemie. Na dzień dobry byliśmy o jedną epokę technologiczną do tyłu. Tak, początek lat 60. to już układy scalone. W 1958 roku pierwszego scalaka skonstruowali Jack Kilby i Robert Noyce (http://pl.wikipedia.org/wiki/Uk%C5%82ad_scalony).

Krzem jako materiał półprzewodnikowy trzyma się znakomicie do dnia dzisiejszego. Powodem tego jest znaczne polepszenie parametrów urządzeń. Tranzystory tzw.  małej częstotliwości, małej mocy, mają moce strat 0,3 wata, prądy 100 mA, czyli 10 razy większe, niż pierwsze z serii TG. Być może postęp razy dziesięć nie imponuje, ale powiem tyle, że to z dużym zapasem spełnia potrzeby projektanta. A jeśli potrzeba więcej, to mamy inne tranzystory.

To, co krzem zmienił dramatycznie, to różne parametry pasożytnicze, tzw. prądy zerowe, które stają się tak małe, że można je w projektowaniu pominąć.

Temperatura pracy podniosła się od  125 stopni Celsjusza dla urządzeń, gdzie nie jest ona krytyczna (np. stopnie wejściowe radia), do 175 C w tranzystorach pracujących z dużą mocą. To także wbrew pozorom dramatyczny skok. Wbrew pozorom, bo z 75 stopni Celsjusza do 125 nie ma nawet „razy dwa”, ale z punktu widzenia projektanta różnica jest zasadnicza. Po prostu we wnętrzu urządzenia może panować temperatura nawet +70 stopni, i wówczas dla urządzeń germanowych nie zostaje żaden „luz”. Dla krzemowych możemy zaprojektować ciągle radiatory i sprawić, by to jakoś działało.

Dla maniaków głośnego brzmienia w epoce krzemowej „kultowy” stał się tranzystor 2N 3055. Moc strat ok. 125 watów, praktycznie można było uzyskać ok. 40 watów. Praktycznie można było na parze takich tranzystorów zbudować wzmacniacz ok. 200 watów i to już było naprawdę głośno.

W epoce krzemowej pojawiły się tranzystory polowe. To była gratka dla krótkofalowców, wszelkiej maści konstruktorów sprzętu radiowego. Dlaczego? Tranzystor polowy to coś zupełnie innego. To – można powiedzieć – kopia lampy elektronowej, ale w krzemie. Obwód sterujący nie pobiera prądu jak siatka (odpowiednio spolaryzowanej) lampy. Pracuje do wysokich częstotliwości. Udało się pokonać w nim kłopoty z nieliniowością charakterystyki. Wreszcie udało się zbudować dwubramkowe tranzystory, które robią nam za układy mieszające częstotliwości. To należałoby wyjaśnić, ale po prostu tranzystory polowe załatwiły kłopoty z półprzewodnikami, jakie występowały w technice radiowej.

Pewnie trochę niespodziewanie tranzystory polowe wkroczyły do techniki wielkich mocy. Dokładniej te urządzenia są układami scalonymi, zespołami na oko pół miliona elementarnych tranzystorów połączonych równolegle, ale w sklepie kupujemy „tranzystor”, ma to trzy nogi i może przełączać prądy kilkudziesięciu amperów. Cymes w tym, że taki tranzystor w stanie przewodzenia ma bardzo mały opór, spadek napięcia na nim jest minimalny. Możemy robić świetne przetwornice oraz inne urządzenia, np. tzw. falowniki. To dzięki nim na przykład możemy bawić się zasilanymi bateryjkami (akumulatorami litowo-jonowymi), dronami, które latają  i fotografują uczestników wesela. Silniki kręcące śmigłami działają właśnie dzięki wyśrubowanym parametrom tranzystorów, zwanych też żargonowo mosfetami (od MOS-FET) mocy.

Inspiracją do napisania tego tekstu było wygrzebanie w sieci danych o współczesnych tranzystorach na jeszcze innym półprzewodniku, którego przez długi czas nie dawało się opanować: SiC. Węglik krzemu (po prostu karborund) był do tej pory używany do produkcji osełek. O tym, że teoretycznie mógłby powstać z niego wspaniały półprzewodnik, wiedziano od dawna, ale od niedawna udaje się dopiero zrobić z niego coś praktycznie. Są w sprzedaży już diody, tranzystory i inne przyrządy, takie jak tyrystory. Ceny wydają się zaporowe. Na złotówki 200–300 PLN za sztukę; drogie tranzystory krzemowe kosztują kilka złotych. Ale też parametry tych urządzeń są nieco kosmiczne. Zresztą NASA wyprodukowała (?) pierwsze egzemplarze, przynajmniej tak wynika z niektórych materiałów. Co może najbardziej szokujące dla elektronika, pracują one w temperaturach do 600 stopni Celsjusza. Znów przy postępie w informatyce nawet kilkakrotny wzrost dopuszczalnej temperatury może się wydać niezbyt imponujący, ale to temperatura przy jakiej stale tracą wytrzymałość, a przedmioty zagrzane tak wysoko zaczynają widocznie świecić.

Dla inżyniera projektującego np. elektronikę samochodową po prostu świetne urządzenie. Gdybyśmy wsadzili takie tranzystory do domowego wzmacniacza akustycznego, mielibyśmy kłopot z dobraniem materiałów i na obudowę, i na płytki drukowane, które zniosłyby sąsiedztwo elementów rozgrzanych do tak wysokiej temperatury. Tranzystory te „z urodzenia” pracują przy bardzo wysokich napięciach rzędu 1200 woltów, mają duże prądy i jednocześnie częstotliwości graniczne.

Ściągnij tekst:
Strony: 123

Mogą Cię zainteresować

Adam Cebula „Średnio o średniej”
Para-Nauka Adam Cebula - 23 grudnia 2015

na drugim efekt uśrednienia. Musze od razu zaznaczyć, że aby uzyskać tak zaszumione zdjęcie, musiałem się…

Adam Cebula „Co dwa lata koniec świata”
Felietony Adam Cebula - 5 stycznia 2015

Myślę, że przypomnienia wymaga jeszcze jeden aspekt paniki: skąd się wzięła teoria, że kryzys…

Adam Cebula „Pamięci świetnych wynalazków, czyli o fantastyce w futurologii”
Para-Nauka Adam Cebula - 14 grudnia 2015

Dziś właściwie można zadać pytanie: „Po jasny gwizdek mielibyśmy się tam pchać?”.…

Do NOT follow this link or you will be banned from the site!