Rodzaje tranzystorów i obwody tranzystorowe

W grudniu 1947 roku, badacze z Bell Laboratories zademonstrowali ostrzowy tranzystor germanowy PNP, pracujący jako wzmacniacz mowy z 18-krotnym wzmocnieniem mocy. Wydarzenie to jest uznawane za narodziny tranzystora.

Od tego czasu tranzystory stały się wszechobecne, dzięki ich użyciu w funkcji elementów przełączających i wzmacniających oraz ze względu na to, że są dostępne w szerokim wyborze mocy, szybkości przełączania i pod względem innych parametrów. I o ile wybór ten daje bardzo wiele możliwości projektantom, może również stanowić barierę: jak wybrać najlepszy tranzystor do nowego projektu lub do modernizacji urządzenia?

Niniejszy artykuł ma na celu dostarczenia pewnych wskazówek w tym temacie, klasyfikując tranzystory i ich parametry. Pokazuje, jak odczytywać parametry i oceniać na ile dany tranzystor nadaje się do różnych aplikacji. Omówiony został także jeden specyficzny temat, który często pojawia się, gdy inżynierowie starają się podłączyć czujniki do wejść sterowników programowalnych. Czy stosować tranzystory NPN czy PNP?

O ile artykuł koncentruje się głównie na bipolarnych tranzystorach złączowych (BJT) i tranzystorach polowych (FET), w skrócie omówione są także bardziej specyficzne technologie, takie jak tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT), układy z azotku galu (GaN) i tranzystory o wysokiej mobilności elektronów (HEMT). Pokazano też przykładowy układ wzmacniacza z tranzystorem FET w konfiguracji wspólnego źródła.

Następnie przyglądamy się temu, jak tranzystory mogą być skutecznie dobierane do aplikacji poprzez wyszukiwanie parametryczne, choćby takie, jakie dostępne jest na stronie internetowej Farnella.

Rodzaje tranzystorów

Tranzystory to układy półprzewodnikowe, zbudowane najczęściej z krzemu, germanu i azotku galu. Zazwyczaj mają trzy wyprowadzenia: jeden wspólny dla sygnału wejściowego i wyjściowego oraz jedno wejście sygnału, które steruje przepływem prądu w wyprowadzeniu wyjściowym, tak jak to zostało pokazane na rysunku 1.

Podstawowy model tranzystora

Ilustracja 1: Podstawowy model tranzystora – źródło: Premier Farnell

Na rysunku 2 zaprezentowano podział 3-wyprowadzeniowych tranzystorów na rodzaje.

Podział na rodzaje tranzystorów

Ilustracja 2: Podział na rodzaje tranzystorów – źródło: Premier Farnell

Rysunek ten pokazuje, że tranzystory dzielą się przede wszystkim na bipolarne i polowe. Jednakże podstawowe pytanie, jakie należy sobie zadać podczas wyboru tranzystora nie dotyczy tego, czy ma być to układ BJT czy FET, ale tego, czy potencjał sygnału wyjściowego ma być niższy czy wyższy niż potencjał na wyprowadzeniu wspólnym. Jeśli ma być wyższy, potrzebny jest tranzystor bipolarny NPN lub FET z kanałem typu N. W przeciwnym wypadku będzie to PNP lub tranzystor z kanałem typu P.

Artykuł Jamesa Bryanta, opublikowany 19 maja 2014 roku w serwisie Analog Devices dostarcza wielu cennych informacji i wskazówek na temat doboru tranzystorów do aplikacji. Niektóre z nich zostały podane poniżej.

Większość aplikacji opartych o tranzystory ogólnego przeznaczenia wymaga podzespołów, które nie przewodzą, gdy na wejściu podany jest zerowy sygnał (na bazie lub bramce tranzystora). Takimi układami są tranzystory bipolarne lub MOSFETy z kanałem wzbogaconym. Tranzystory FET z kanałem zubożonym są znacznie mniej popularne, choć cenne w niektórych aplikacjach. Wybór tranzystora NPN lub FETa z kanałem typu N albo tranzystora PNP lub FETa z kanałem typu P zależy od tego, czy napięcie zasilania jest dodatnie czy ujemne względem masy, ale jak określić, czy potrzebny jest tranzystor polowy, czy też MOSFET?

W wielu przypadkach nie ma to znaczenia. Pojedyncze tranzystory MOSFET są statystycznie około 10-20% droższe niż tranzystory bipolarne, ale nie wymagają stosowania dodatkowych rezystorów w obwodzie bazy (bramki), których użycie wiązałoby się z dodatkowym kosztem i zajęciem cennej powierzchni płytki drukowanej. Są natomiast nieco bardziej wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne, ale za to nie pobierają prądu przez bazę (bramkę) i nie obciążają obwodów, gdy podawane jest na nie napięcie stałe (mają względnie dużą pojemność wejściową, więc mogą wprowadzać dodatkowe problemy w układach pracujących z wysokimi częstotliwościami).

Dawniej napięcie przewodzenia bramki (napięcie, które po podaniu na bramkę powoduje, że MOSFET zaczyna przewodzić) wynosiło kilka woltów, więc nie można było ich używać w układach o bardzo niskich napięciach zasilania. Dziś jednak napięcia przewodzenia wielu tranzystorów FET są bliskie napięciu 0,7 V, jakie trzeba podać na bazę krzemowego tranzystora BJT, by zaczął on przewodzić. Stąd, tranzystory BJT i MOSFETy mogą obecnie pracować równie dobrze w wielu aplikacjach wymagających wzmacniania lub przełączania.

Jednakże, wejściem tranzystora BJT jest dioda krzemowa. Można wykorzystać jej właściwości termiczne do pomiaru temperatury, tak by przy dużym poborze prądu układ ten zaczynał działać jako obwód regulujący, ograniczający przepływ prądu przez daną linię. Dlatego zdarzają się sytuacje, gdzie tranzystory BJT są niezbędne.

Przez około 20 lat, magazyn Elektor publikował projekty, w których stosował tranzystory oznaczone jako TUN i TUP (odpowiednio: Uniwersalny Tranzystor NPN i Uniwersalny Tranzystor PNP). Oznaczało to, że w danym miejscu można było zastosować dowolny tranzystor krzemowy BJT, którego parametry przekraczają następujące minimalne wymagania:

Większość tanich krzemowych tranzystorów małosygnałowych spełnia te wymagania. Lista mogła uwzględniać także podzespoły oznaczone jako MUN i MUP (odpowiednio: Uniwersalny MOSFET z kanałem N i Uniwersalny MOSFET z kanałem P), gdzie większość tanich, małych MOSFETów spełniało następujące wymagania:

Większość wersji symulatora SPICE zawiera modele standardowych tranzystorów bipolarnych i polowych, które są zbliżone do wymienionych powyżej, uniwersalnych układów. Więc projektując urządzenie, które będzie zawierać osobne, małosygnałowe tranzystory, warto korzystać z tych uniwersalnych modeli, by następnie na etapie zamawiania dobrać te, które będą najlepiej pasować (będą miały najbardziej dopasowaną obudowę, będą dostępne od ręki lub po prostu niedrogie). Podczas publikacji lub specyfikacji projektu warto też używać ogólnej terminologii, dzięki czemu będzie jasne, że dokładny wybór podzespołu nie powinien mieć znaczenia. Oczywiście, w wielu projektach nie można zastosować takich standardowych modeli. Niektóre wymagania będą wykraczały poza ramy najprostszych podzespołów. W takich przypadkach warto wymienić konkretne wyjątki, np. w następujący sposób:

Parametry tranzystorów

Istnieje wiele parametrów, oprócz tych oczywistych, takich jak moc znamionowa, które należy wziąć pod uwagę podczas oceny czy dany tranzystor będzie nadawał się do tworzonego obwodu. Poniżej je omawiamy.

Maksymalne napięcie kolektora/drenu. BVceo lub BVds: Jeśli maksymalne napięcie zasilania jest mniejsze niż BVceo lub BVds i nie ma obwodów indukcyjnych po stronie kolektora albo drenu, które mogłyby wytworzyć krótkotrwałe impulsy o wyższym napięciu oraz nie ma zewnętrznych źródeł sygnałów, które mogłyby dostarczyć wyższe napięcia, wtedy nie trzeba się martwić o ten parametr.

Jednakże, istnieje wiele obwodów, w których tranzystor może musieć pracować z wysokimi napięciami Vce lub Vds, czy to stałymi, czy chwilowymi. Wtedy należy odpowiednio dobrać podzespoły o adekwatnej wartości maksymalnej napięcia.

Tranzystory BJT i MOSFETy, które ulegną uszkodzeniu dopiero przy napięciach przekraczających 500 V, są niedrogie i łatwodostępne, ale ich wzmocnienie prądowe – parametr ß – w wysokonapięciowych tranzystorach BJT często przyjmuje wartość z zakresu od 40 do 100, zamiast wartości 100, przewidzianej w modelach TUN i TUP. Podobnie, napięcie przewodzenia bramki tranzystora MOSFET o dużej wytrzymałości napięciowej raczej będzie w granicach od 2 do 5 V, zamiast mieścić się w przewidywanym przez modele MUN i MUP zakresie od 500 do 2000 mV.

Maksymalny dopuszczalny prąd kolektora/drenu. Ic(max) lub Id(max): Maksymalny prąd, jakiego można się spodziewać na kolektorze lub drenie nie może przekroczyć wartości dopuszczalnej, określonej w specyfikacji. Ponieważ w modelu TUN i podobnych, wartość ta wynosi 100 mA, w przypadku obwodów małosygnałowych ryzyko takiej sytuacji jest niewielkie. Ale jeśli tranzystor ma dostarczać większą moc do obciążenia, maksymalny prąd musi zostać zweryfikowany.

Maksymalna dopuszczalna wartość prądu w niektórych tranzystorach może być oddzielnie określona dla prądu stałego (lub raczej wartości średniej przepływającego prądu) i oddzielnie dla krótkich impulsów, przy czym ta druga wartość będzie zazwyczaj większa. Należy też upewnić się, że szczytowe wartości prądów chwilowych również mieszczą się w podanych granicach.

Większość tranzystorów małosygnałowych ma wartość Imax większą niż 100 mA. Zazwyczaj mieści się ona w zakresie od 300 mA do 1000 mA. Dlatego wiele z podzespołów, które spełniają wymagania modelu TUN i podobnych, będzie w praktyce miało wyższą wytrzymałość prądową i będzie można ich używać również dla takich większych prądów. W przypadku zastosowań wymagających przepływu jeszcze wyższego prądu, modele TUN i podobne nie będą adekwatne i należy wtedy wybrać tranzystor mocy. W przypadku wyższych prądów trzeba zwracać uwagę nie tylko na dopuszczalny prąd, ale i na dopuszczalną moc. Obudowy tego typu elementów będą zapewne większe i konieczne może się okazać zastosowanie radiatora. Tranzystory BJT z większymi dopuszczalnymi prądami mogą mieć mniejsze wartości parametru ß przy większych prądach.

Obudowy i moc: Istnieje niezliczona liczba różnych obudów tranzystorów, począwszy od niemal mikroskopijnych modeli, przeznaczonych do montażu powierzchniowego, a kończąc na dużych obudowach plastikowo-metalowych, które są w stanie odprowadzić nawet kilka kilowatów mocy, jeśli tylko zapewni się im odpowiednie chłodzenie. Wybierz taki, który będzie najbardziej odpowiadał twojej aplikacji. Podzespoły do montażu powierzchniowego wybieraj na potrzeby masowej produkcji, a układy przewlekane do prototypowania i produkcji krótkich serii, gdzie łatwość lutowania jest bardzo pomocna. Należy także dopasować rodzaj obudowy do radiatorów, jeśli konieczne staje się ich zastosowanie.

Prąd upływu kolektora lub drenu, Ice0 lub Idss0: Jest to niewielki prąd, jaki przepływa z kolektora do emitera lub z drenu do źródła, gdy tranzystor jest w stanie inwersyjnym. Zazwyczaj ma on wielkość rzędu dziesiątek nanoamperów, ale bywa że w dokumentacjach podane są czasem większe wartości, przyjmowane w najgorszym scenariuszu, co pozwala ograniczyć koszty testowania. Tranzystory używane w przełącznikach lub wzmacniaczach o bardzo małym prądzie powinny mieć prąd upływu poniżej 50 nA, ale w większości aplikacji nawet 200 nA lub więcej jest całkiem satysfakcjonujące.

Inwerter o bardzo małej mocy, zbudowany z MOSFETami o małym prądzie upływu

Ilustracja 3: Inwerter o bardzo małej mocy, zbudowany z MOSFETami o małym prądzie upływu – źródło: Premier Farnell

Inwerter małej mocy, pokazany na ilustracji 3, to przykład obwodu wymagającego bardzo małego prądu upływu kolektora lub drenu. Przepływ 100 nA przez dren powoduje spadek napięcia o 1 V i w efekcie poziom 2 V napięcia na wyjściu, czyli praktycznie na granicy dopuszczalnej wartości dla logicznej jedynki. Dlatego w praktyce należałoby w takim przypadku używać MOSFETów o prądzie upływu przez dren/źródło równym 50 nA.

Warto zauważyć, że o ile inwerter ten ma bardzo małą moc (300 nA daje 0,9 µW w momencie gdy tranzystor jest w stanie przewodzenia), jest zarazem bardzo powolny. Zakładając że suma pojemności wyjścia tranzystora, ścieżek i wejścia kolejnego układu wynosi 20 pF (co jest rozsądnym założeniem), czas narastania sygnału będzie wynosić około 0,2 ms. Jest to wartość akceptowalna w aplikacjach stałoprądowych, ale nawet dla układów przełączających o średniej szybkości, czas ten jest za duży.

Wzmocnienie prądowe ß lub hfe: Wzmocnienie prądowe tranzystora BJT to stosunek prądu kolektora do prądu bazy w momencie, gdy układ nie jest w stanie nasycenia, tj. gdy w tranzystorze NPN napięcie kolektor/baza jest dodatnie. Wartość parametru ß jest zazwyczaj względnie stała w szerokim zakresie prądów, ale może być nieco mniejsza przy bardzo małych prądach bazy oraz niemal z pewnością zacznie spadać wraz ze zbliżaniem się prądu kolektora do swojej dopuszczalnej wartości maksymalnej. I ponieważ parametr ten to stosunek prądów, jest on bezjednostkowy.

Modele TUN i TUP mają współczynnik ß równy 100, ale tranzystory BJT o dużych dopuszczalnych prądach i napięciach będą często miały nieco mniejsze wartości tego współczynnika (równe ok. 40 lub 50).

Obwód wzmacniacza z tranzystorem

Ilustracja 4: Obwód wzmacniacza z tranzystorem w układzie wspólnego kolektora (wtórnik emiterowy) dla tranzystorów BJT lub MOSFET – źródło: Premier Farnell

Wtórnik emiterowy (układ wspólnego kolektora lub wspólnego drenu), pokazany na ilustracji 4 działa praktycznie tak samo, niezależnie od tego czy użyty jest tranzystor bipolarny, czy MOSFET. W prostych wtórnikach emiterowych zakłada się, że napięcie pomiędzy bazą a emiterem, lub bramką a źródłem (Vbe lub Vgs) pozostaje stałe, co skutkuje powstaniem stałej różnicy pomiędzy napięciem wejściowym a napięciem na obciążeniu. Jednakże w bardziej precyzyjnych układach stosuje się sprzężenie zwrotne, podłączone do punktu przyłączenia obciążenia.

Ponieważ część prądu przepływającego przez emiter musi też płynąć przez bazę, prądy płynące przez emiter i kolektor tranzystora BJT nie są identyczne. Oznacza to, że sekcje wyjść prądowych lepiej realizować z użyciem MOSFETów, a nie tranzystorów BJT, gdyż MOSFETy w praktyce nie pobierają wcale prądu bramki.

Transkonduktancja gfs: Transkonduktancja w tranzystorze FET to stosunek ΔIds/ΔVgs mierzony w momencie, gdy układ przewodzi i obwód drenu nie jest w żadnym stopniu ograniczony prądowo. Jest mierzona w siemensach (S). Małosygnałowe tranzystory FET i MOSFET mogą mieć współczynniki gfs na poziomie nawet kilku milisiemensów, ale większe podzespoły miewają wzmocnienia rzędu dużych ułamków siemensa, a nawet kilku siemensów lub więcej.

W ogólności, kilka woltów zmiany napięcia na bramce wystarcza do zmiany prądu drenu z wartości minimalnej (stan wyłączenia tranzystora) do maksymalnej. Ważnym jest także by wiedzieć, przy jakim napięciu bramki tranzystor zaczyna przewodzić.

Napięcie progowe bramki Vgs(th): Napięcie progowe tranzystora MOSFET to napięcie pomiędzy bramką a źródłem, przy którym poprawnie zasilony dren zaczyna pobierać prąd. Definicja tego, co oznacza słowo „zaczyna” jest określana w dokumentacji i może oznaczać moment poboru kilku mikroamperów, ale częściej będzie to definiowane w odniesieniu do poboru 1 mA, czy nawet większego prądu w przypadku MOSFETów mocy. Powyżej napięcia progowego prąd drenu będzie rósł bardzo szybko, nawet przy małych zmianach napięcia na bramce.

Jeśli MOSFET ma być sterowany obwodami logicznymi, ważne jest by jego napięcie progowe znajdowało się powyżej poziomu napięcia dla logicznego zera, w najgorszym scenariuszu, biorąc pod uwagę dopuszczalny zakres pracy obwodu. W praktyce wartość ta wynosi zazwyczaj kilkaset miliwoltów. Jeśli nie dopilnuje się tego wymogu, tranzystor może zacząć przewodzić wtedy, kiedy nie powinien.

Napięcie nasycenia Vce(sat): Jeśli tranzystor BJT przewodzi na tyle silnie, że potencjał kolektora spada poniżej potencjału bazy (inaczej mówiąc – złącze baza-kolektor zaczyna być spolaryzowane dodatnio), mówi się, że jest on nasycony. To napięcie nasycenia nie jest proporcjonalne do prądu kolektora, więc model nasyconego tranzystora nie przyjmuje postaci prostego rezystora pomiędzy kolektorem i emiterem.

Poniżej dwa przykłady wskazujące, dlaczego ważne jest by napięcie nasycenia było małe:

A) W klasycznych układach logicznych TTL, każde wejście stanowi źródło 1,6 mA prądu, by na wyjściu podawać logiczne zero. Przy pełnym dopuszczalnym obciążeniu w postaci 10 bramek oznacza to, że tranzystor wyjściowy może musieć przyjmować nawet 16 mA prądu, przy napięciu nasycenia nie większym niż 400 mV.

B) Kiedy wykorzystywany jest tranzystor BJT mocy do przełączania dużych prądów, moc jaką musi oddać w postaci ciepła jest dla danego obciążenia proporcjonalna do napięcia nasycenia. Im mniejsze jest to napięcie, tym mniej ciepła będzie trzeba odprowadzić z tranzystora.

Warto zauważyć, że gdy odłączy się układ sterujący wejściem nasyconego tranzystora, zazwyczaj potrzeba kilku lub kilkudziesięciu nanosekund, zanim zacznie on przestawać przewodzić. Jest to czas wychodzenia ze stanu nasycenia, który może zostać podany w specyfikacji, dla określonych warunków.

Rezystancja przewodzenia Ron: MOSFETy nie wchodzą w stan nasycenia, gdyż pracują one w oparciu o nośniki większościowe. W trybie przewodzenia, gdy ich bramka jest spolaryzowana napięciem zdecydowanie wyższym od napięcia progowego, zachowują się jak rezystory o małej oporności, której konkretna wartość jest podawana w dokumentacji. Można wtedy zastosować prawo Ohma, tj. że spadek napięcia jest proporcjonalny do prądu i rezystancji, a moc rozpraszana w postaci ciepła ma wartość I2R.

Współczynnik szumów NF: Większość aplikacji tranzystorowych pracuje z dosyć dużym poziomem sygnału i szumy nie są problemem. Jednakże tam, gdzie stanowią problem poziom ten jest niezmiernie ważny. Wiele tranzystorów, zarówno BJT, jak i FETów, ma podane gwarantowane maksymalne współczynniki szumów. Porównując je dla różnych podzespołów, ważne jest by były mierzone dla tych samej impedancji źródła. Jeśli tranzystor jest przeznaczony do systemów radiowych, bardzo możliwe, że jego współczynnik szumów został zmierzony dla 50 Ω, więc dokonanie porównania pomiędzy takimi układami jest proste. Nie ma jednak sensu porównywać tych współczynników dla układów, w których zostały one zmierzone przy różnych impedancjach.

Częstotliwość graniczna ft: Współczynnik ft tranzystora bipolarnego to częstotliwość, przy które wzmocnienie prądowe dla obciążenia w postaci zwarcia (dla wysokich częstotliwości) na wyjściu jest równe 1. Częstotliwość graniczna jest podstawowym parametrem, stosowanym podczas porównywania odpowiedzi częstotliwościowej tranzystorów BJT. Większość modeli TUN i TUP będzie miała wartość ft znacznie powyżej 100 MHz, ale układy o większej mocy i pracując z wyższymi napięciami często będą cechować się niższymi częstotliwościami granicznymi.

Tranzystory polowe to podzespoły bazujące na transkonduktancji z niezmiernie małym prądem stałym, pobieranym przez bramkę, więc nie można w nich rozważać wzmocnienia prądu stałego. Ale ponieważ mają pojemność wejściową (Cgs), zazwyczaj w wysokości od kilku do kilkuset pikofaradów, ich impedancja jest względnie niska dla dużych częstotliwości, stąd możliwe jest mierzenie ich współczynnika ft dla sygnałów dużych częstotliwości. Bywa, że w dokumentacji tranzystora FET lub MOSFET znajdzie się wartość częstotliwości granicznej, zmierzonej właśnie w taki sposób i faktycznie można się o nią opierać, by ocenić odpowiedź częstotliwościową podzespołu. Jednakże zazwyczaj szybkość tranzystorów polowych określa się w oparciu o czasy przełączania.

Czasy przełączania t(on) i t(off): Większość tranzystorów FET oraz wiele tranzystorów polowych ma określone czasy przełączania, które definiowane są jako czas potrzebny (w określonych warunkach) na wzrost prądu na wyjściu od wartości zerowej do zadanej, lub – analogicznie – jako czas spadnięcia prądu do zera. Przyjmuje się, że sygnał sterujący przełączaniem jest albo natychmiastowy (co w rzeczywistych sytuacjach nie ma miejsca), albo trwa kilka nanosekund. Porównywanie czasów przełączania to dosyć sensowny sposób na ocenianie szybkości tranzystorów, pod warunkiem że wartości te zostały zmierzone w podobnych warunkach.

Pojemności C??: Istnieją trzy główne pojemności, jakie określa się dla tranzystorów: pojemność wejściowa Cin, pojemność wyjściowa Cout i pojemność zastępcza (nazywana też pojemnością Millera) Cfb (lub CM). Różni producenci używają różnych nazw (stąd C?? w nagłówku), ale z rysunku 5 bezpośrednio wynika, która z nich jest która.

Pojemności pasożytnicze tranzystorów

Ilustracja 5: Pojemności pasożytnicze tranzystorów (różni producenci korzystają z różnych nazw i symboli) – źródło: Premier Farnell

Tranzystory polowe, a przede wszystkim MOSFETy, mogą mieć wartości Cin sięgające nawet 1 nF lub większe, choć małosygnałowe MOSFETy będą miały te pojemności znacznie mniejsze, mieszczące się w zakresie od 15 do 50 pF. Ważnym jest by podczas projektowania obwodów, w których taka pojemność może wpłynąć na czasy narastania lub stabilność układów, upewnić się że projekt uwzględnia wszystkie te wartości i że wybrane podzespoły zostały dobrane tak, by ich pojemności były akceptowane przez pozostałe elementy układu.

Tranzystory NPN a PNP

Instalując programowalny sterownik logiczny (PLC), jego wyjścia cyfrowe muszą być dopasowane do czujników, do jakich są podłączane. Nie dotyczy to jedynie poziomu napięcia zasilania, które to zazwyczaj wynosi 24 VDC, ale też polaryzacji: NPN lub PNP. Czujniki PNP stanowią źródła prądowe dostarczające prąd, a NPN prąd pochłaniają. Czujnik dostarczający prąd musi zostać podłączony do wejścia pochłaniającego prąd i na odwrót.

Podczas dokonywania wyboru jest kilka argumentów za zdecydowaniem się na czujniki PNP. Po pierwsze, czujniki tego typu są łatwiejsze do zrozumienia i serwisowania przez techników, ponieważ podają one duże napięcie wtedy, gdy wyjście jest aktywne. Po drugie, obwody NPN, w przypadku uszkodzenia przewodu i zwarcia go z masą, spowodują odczytanie wartości „Prawda” na sterowniku, co może prowadzić do niepożądanego zachowania, takiego jak np. uruchomienie jej. Kiedy przewód biegnący z wyjścia czujnika PNP do wejścia sterownika zostanie zwarty do masy, sterownik odbiera na wejściu wartość „Fałsz”.

Tak czy inaczej, o ile czujniki PNP są standardowo stosowane w Stanach Zjednoczonych i w Europie, sensory NPN są wciąż często preferowane w Azji. Oznacza to, że w najgorszym przypadku firma może być zmuszona do magazynowania dodatkowego zestawu czujników lub modułów wejściowych, by mieć pewność, że da się je poprawnie dobrać. Drugą konsekwencją jest konieczność monitorowania miejsc instalacji urządzeń i zarządzania nimi.

Zazwyczaj jednak, sytuację można złagodzić poprzez odpowiednio elastyczny projekt. Wiele modułów wejściowych (szczególnie wersje IP20, najczęściej spotykane w szafach sterowniczych) jest dostępnych zarówno w wersji NPN, jak i PNP. Jednakże oznacza to, że wszystkie wejścia takiego modułu są albo NPN albo PNP. Nie można ich ze sobą mieszać. Dodatkowo na rynku pojawiają się sensory, które można skonfigurować zarówno do pracy w trybie PNP lub NPN. Alternatywnie – wiele sterowników PLC jest wykonanych tak, że można do nich dołączyć zarówno moduł NPN, jak i PNP, bez konieczności dokonywania jakichkolwiek zmian w sprzęcie.

Kwestie te zostały szerzej omówione w magazynie „Control Design”, w ramach artykułu „Jak wybrać pomiędzy PNP a NPN”.

Inne technologie tranzystorowe

Jak dotąd omówiliśmy podstawowe rodzaje tranzystorów bipolarnych i polowych oraz ich odmiany. Jednakże istnieją także inne ich rodzaje. Dwa podstawowe przykłady to tranzystory IGBT (tranzystory bipolarne z izolowaną bramką) i tranzystory HEMT z azotku galu.

Tranzystor IGBT jest połączeniem tranzystora bipolarnego z polowym. Łączy w sobie dużą impedancję wejścia oraz duże szybkości przełączania, typowe dla MOSFETów, z małym napięciem nasycenia, typowym dla tranzystorów bipolarnych. W efekcie jest to układ tranzystorowy, będący w stanie przewodzić duże prądy pomiędzy kolektorem a emiterem, przy niemal zerowym prądzie bramki.

Tranzystory IGBT mają wyjściową charakterystykę przełączania i przewodzenia, typową dla tranzystora bipolarnego, ale są sterowane napięciem, tak jak MOSFETy. Układy IGBT są stosowane głównie w elektronice dużej mocy, czyli w inwerterach, konwerterach i zasilaczach, gdzie ani tranzystory bipolarne, ani MOSFETy nie są w stanie spełnić wszystkich stawianych wymagań. O ile na rynku dostępne są tranzystory BJT o dużym dopuszczalnym prądzie i napięciu, to są one powolne. Natomiast MOSFETy mocy mogą mieć wyższe szybkości przełączania, ale ich wersje o dużych dopuszczalnych prądach i napięciach są drogie i słabo dostępne.

Obwód zastępczy i symbol tranzystora IGBT

Ilustracja 6: Obwód zastępczy i symbol tranzystora IGBT – źródło: Premier Farnell

Na rysunku 6 pokazano, że tranzystor IGBT jest układem o trzech wyprowadzeniach i pracuje w oparciu o transkonduktancję, a jest zbudowany z bramki N-kanałowego MOSFETu z wyjściem w postaci bipolarnego tranzystora PNP, podłączonymi w układzie Darlingtona.

W rezultacie, wyprowadzenia tego podzespołu oznaczane są jako kolektor, emiter i bramka. Dwa z tych wyprowadzeń (kolektor-emiter) tworzą ścieżkę przewodzenia prądu, podczas gdy trzeci (bramka) steruje podzespołem.

Tranzystory z elektronami o wysokiej mobilności (HEMT), wykonane z azotku galu, to zupełnie inna technologia. Otwierają one nowe możliwości, gdyż mają kilka zalet względem krzemowych MOSFETów. Tranzystory GaN mogą mieć znacznie wyższe współczynniki dV/dt, a więc znacznie szybciej się przełączać niż krzemowe MOSFETy, co zarazem prowadzi do istotnego obniżenia strat mocy w trakcie przełączania. Kolejną zaletą jest brak ładunku, który trzeba uzupełnić w momencie przechodzenia ze stanu przewodzenia, dzięki czemu nie powodują one problemów, jakie występują podczas przełączania w obwodach z tradycyjnymi MOSFETami.

Tranzystory HEMT są także cenione za to, że łączą wysokie napięcie przebicia z dużą skutecznością, dzięki czemu dobrze sprawdzają się jako podzespoły mocy. Są stosowane we wzmacniaczach w stacjach bazowych sieci komórkowych i w radarach, a w przyszłości zapewne zaczną być wykorzystywane w systemach przetwarzania mocy, takich jak zasilacze serwerowe.

Mając małą rezystancję w trybie przewodzenia i zdolność do szybkiego przełączania się, układy GaN HEMT dają nadzieję na miniaturyzację podzespołów, zmniejszony pobór mocy i obniżone koszty, co powinno nastąpić gdy technologia ta zostanie rozwinięta.

Przykład aplikacji tranzystorowej – obwód wzmacniacza z tranzystorem FET w konfiguracji ze wspólnym źródłem

Obwody wzmacniaczy z tranzystorami FET w konfiguracji ze wspólnym źródłem są jednymi z najczęściej stosowanych, ze wszystkich aplikacji tranzystorów polowych. Są bowiem bardzo uniwersalne i wysoce skuteczne. Pozwalają wzmacniać prąd i napięcie, przy zachowaniu satysfakcjonujących impedancji na wejściu i wyjściu.

Podstawowy obwód wzmacniacza z tranzystorem FET w konfiguracji wspólnego źródła

Ilustracja 7: Podstawowy obwód wzmacniacza z tranzystorem FET w konfiguracji wspólnego źródła – źródło: Premier Farnell

Na rysunku 7 pokazano typowy układ wzmacniacza ze wspólnym źródłem. Sygnał wejściowy jest wprowadzany poprzez kondensator C1, który daje pewność, że na potencjał bramki nie ma wpływu żadne stałe napięcie, pochodzące z poprzedniego fragmentu obwodu. Rezystor R1 utrzymuje bramkę na potencjale masy. Jego wartość wynosi zazwyczaj około 1 MΩ. Na rezystorze R2 odkłada się napięcie, utrzymujące potencjał źródła powyżej potencjału masy. Kondensator C2 służy jako bocznik, zwiększający wzmocnienie dla sygnałów przemiennych.

Rezystor R3 kształtuje napięcie wyjściowe, a kondensator C3 stanowi sprzężenie pojemnościowe, pozwalające na podłączenie kolejnego układu, blokując przy tym przepływ prądu stałego.

Nabywanie odpowiedniego tranzystora

Po zrozumieniu i określeniu zestawu parametrów dla docelowego tranzystora, następnym krokiem jest znalezienie prawdziwego komponentu, który jest zarazem dostępny, jak i ma pożądane cechy. Jednym ze sposobów osiągnięcia tego celu jest skorzystanie z mechanizmów wyszukiwania parametrycznego w sklepie Farnell, by przefiltrować wyniki wyszukiwania pod kątem adekwatnych podzespołów. Przykładowo, w ramach sekcji tranzystorów bipolarnych można prowadzić wyszukiwanie pod kątem polaryzacji, napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem, częstotliwości progowej, rozpraszanej mocy i prądu stałego na kolektorze, jak również z uwagi na zgodność z normami, obudowę i producenta.

Podobnie, w sekcji radiowych tranzystorów polowych można wyszukiwać pod kątem: napięcia pomiędzy drenem a źródłem, dopuszczalnego stałego prądu drenu, rozpraszanej mocy, minimalnych i maksymalnych częstotliwości pracy, jak również rodzaju obudowy, liczby wyprowadzeń, maksymalnej temperatury pracy, zgodności z normami, sposobu montażu i producenta.

Źródła

https://en.wikipedia.org/wiki/History_of_the_transistor

https://wiki.analog.com/university/courses/electronics/text/choosing-transistors

https://www.elektor.com

(iv) Nazwane po Johnie Miltonie Millerze, który jako pierwszy opisał ten efekt w 1920 roku.

https://www.hegwoodelectric.com/wp-content/uploads/2017/11/CD1610-How-to-decide-between-PNP-and-NPN.pdf

https://www.electronics-tutorials.ws/power/insulated-gate-bipolar-transistor.html

https://e2e.ti.com/blogs_/b/motordrivecontrol/archive/2016/12/12/gallium-nitride-transistors-open-up-new-frontiers-in-high-speed-motor-drives

https://www.fujitsu.com/global/documents/about/resources/publications/fstj/archives/vol50-1/paper21.pdf

https://www.electronics-notes.com/articles/analogue_circuits/fet-field-effect-transistor/common-source-amplifier-circuit.php

Rodzaje tranzystorów i obwody tranzystorowe – Data publikacji: 4 września 2018 r. przez Farnell