Digitalna stikala se večinoma izvajajo z MOSFET-tranzistorji. Vmes pa so postali resna alternativa tudi bipolarni tranzistorji – ko gre za modele z nizko napetostjo nasičenja. Za preklapljanje nizkih napetosti in tokov od 100 mA do 5 A ne zagotavljajo le večjega tokovnega ojačenja, ampak tudi stroškovne prednosti.
Avtor: Thomas Bolz, vodja prodaje standardnih izdelkov v podjetju Rutronik
Rutronik GmbH,Podružnica v Ljubljani
Motnica 5, 1236 Trzin, Slovenia
E-pošta: rutronik_si@rutronik.com
Tel. +386 1 561 09-80
2021-298-12
Izzivalci MOSFET-tranzistorjev
Pri močnostnih stikalih mora tranzistor bazni tok ojačati točno toliko, da je izhodna napetost blizu ničle oz. je merljiva le še napetost nasičenja tranzistorja. Tukaj se največkrat uporabljajo MOSFET-tranzistorji, ker so krmiljeni napetostno in zato ne potrebujejo krmiljenja baze. V nasprotju so bipolarni tranzistorji (tranzistorji z bipolarnim spojem, angl. Bipolar Junction Transistors – BJT) krmiljeni tokovno in zato potrebujejo krmiljenje baze, ki lahko neprekinjeno dovaja tok.
Pri bipolarnih tranzistorjih z bistveno večjim tokovnim ojačenjem (hFE) in veliko nižjo napetostjo nasičenja (VCEsat) pa zadostuje že občutno manjši bazni tok. Njihovo večje tokovno ojačenje ga zmanjša do te mere, da jih je mogoče krmiliti že z majhnimi tokovi neposredno iz mikrokontrolerja. Če naj tranzistor preklaplja tok 1 A in ima hFE enako 100, mora znašati bazni tok najmanj 10 mA, da je zagotovljeno nasičenje tranzistorja. Če ima tranzistor tokovno ojačenje 500, zadostujeta že 2 mA.
Poleg tega se s tem bistveno zmanjšajo izgube na preduporu za bazo in napetosti baza-emitor (VBE). Če deluje tranzistor kot nizkofrekvenčno stikalo, majhne napetosti nasičenja zmanjšajo izgube moči na spoju kolektor-emitor in s tem dopuščajo večje kolektorske tokove (IC) na isti površini polprevodnika.
Za popolni vklop potrebujejo bipolarni tranzistorji z nizko napetostjo nasičenja (VCEsat) nizko napetost med bazo in emitorjem, ki znaša le od 0,3 do 0,9 V, tako da so idealni za uporabo kot stikalo pri nizkih napetostih. Ta krmilna napetost velja za celotno temperaturno območje.
Če se bipolarni tranzistorji uporabljajo kot nasičena stikala, lahko vplivajo tudi na prevodnost kolektorskega območja in s tem bistveno zmanjšajo upornost kolektor-emitor v nasičenem stanju (RCEsat). MOSFET-tranzistorjite prevodnosti nimajo. Vendar pa se s tem podaljša čas odvajanja akumuliranega naboja, kar podaljša preklopne cikle.
Zaradi svoje tranzitne frekvence so tranzistorji uporabni le za načine uporabe s frekvencami do nekaj sto kHz. Če delimo tranzitno frekvenco s faktorjem ojačanja, dobimo mejno frekvenco. Določena je kot prag, kjer tokovno ojačenje pade za –3 dB (to je faktor 0,707). Tej frekvenci se ne približujemo.
Daljši čas delovanja mobilnih naprav
Zaradi visokega ojačanja imajo bipolarni tranzistorji z nizko napetostjo nasičenja (VCEsat) tudi višji izkoristek v primerjavi s klasičnimi bipolarnimi tranzistorji in MOSFET-i. Skupaj z baznim uporom lahko tako nadomestijo MOSFET in Schottkyjevo diodo. To pomeni predvsem pri mobilnih in/ali baterijskih napravah, kot so električne zobne ščetke, brivniki ali ročni mešalniki, prednosti zaradi daljšega delovanja z baterijo in manjših stroškov za komponente. Poleg tega so bipolarni tranzistorji bistveno manj občutljivi na elektrostatične razelektritve (ESD – Electro Static Discharge) kot MOSFET-i: Prenesejo več kot 8000 V razelektritve in imajo že sami po sebi nekaj zaščite pred napetostnimi konicami.
Pri višjih temperaturah se ojačenje tranzistorjev še poveča. Hkrati se zmanjša delež napetosti baza-emitor (UBE(sat)) pri največjem dovoljenem baznem toku.
S tem je upornost kolektor-emitor v nasičenju (RCEsat) pri bipolarnih tranzistorjih manjša od vklopne upornosti (RDSon) primerljivega MOSFET-a. Poleg tega pri visokih gostotah toka in/ali neprekinjenih tokovih bipolarni tranzistorji proizvajajo manj toplote kot MOSFET-i na enaki površini polprevodnika.
Dodatno je napetost nasičenja pri določenem bremenskem toku sorazmerna izgubni moči. Bipolarni tranzistorji z nizko napetostjo nasičenja (VCEsat) imajo torej tudi manjšo izgubno moč, kar pomeni, da je treba odvajati manj toplote. Če opazujemo skupno izgubno moč, pa moramo upoštevati tudi izgube zaradi krmiljenja baze. Te so pri bipolarnih tranzistorjih z nizko napetostjo nasičenja (VCEsat) z visokim ojačanjem prav tako manjše.
Dodatna prednost bipolarnih tranzistorjev: Izklop deluje v obe smeri, tako da ni potreben dodaten zaporedni MOSFET. Poleg tega so cenejši, kar pomeni očitno stroškovno prednost pred MOSFET-i.
Visoka stikalna moč
Bipolarni tranzistorji zmorejo stikalno moč, ki nekajkrat presega njihovo največjo dovoljeno izgubno moč. Tranzistor kot stikalo ima namreč dve stacionarni delovni točki. Če v prvi teče dovolj velik bazni tok, dobimo kolektorski tok, ki pomeni sklenjeno stikalo. Na njem je preostala napetost. Ker je bazni tok v drugi delovni točki nič, se tranzistor zapre in je na njem vsa delovna napetost. Prehod med delovnima točkama se zgodi zelo hitro. Posledično lahko delovno premico določimo tako, da seka hiperbolo izgubne moči, če prehod iz vključenega v izključeno stanje in obratno poteka dovolj hitro ter se ne dogaja prepogosto. Stacionarne delovne točke morajo biti vedno pod hiperbolo.
Ker omogočajo bipolarni tranzistorji zelo hitro preklapljanje v linearnem območju in omogočajo visok impulzni tok pri visoki gostoti toka, so primerni tudi kot gonilniki za krmiljenje MOSFET-ov. To pomeni manjše mere in stroške kot pri rešitvah s posebnimi gonilniškimi integriranimi vezji.
Majhne komponente za veliko moč
Bipolarni tranzistorji z nizko napetostjo nasičenja (VCEsat) so običajno na voljo v ohišjih SOT za maksimalno napetost kolektor-emitor (VCEO) od 10 do 100 V in kolektorski tokovi do več amperov. Trenutno najmanjši bipolarni tranzistorji na svetu imajo miniaturna ohišja za diode DFD0606-3. Pri tlorisu 0,36 mm2 in višini le 0,4 mm je 45-voltni bipolarni NPN-tranzistor za majhne signale BC847BFZ za kar 40 % manjši od primerljivih komponent v ohišjih DFN1006, SOT883 in SOT1123. Pri tem zagotavlja večjo zmogljivost kot primerljivi tranzistorji v bistveno večjih ohišjih. Njegovo ohišje brez svinca s toplotno upornostjo le 135 °C/W omogoča večjo gostoto moči. Z modeli podjetja Diodes je mogoče preklapljati napetosti pod 1 V. To omogoča popoln vklop mobilnih naprav z majhno močjo. S kolektorskim tokom 100 mA in izgubno močjo 925 mW so še posebej primerni za prenosne naprave, kot so pametne ure, pripomočki za zdravje in fitnes ter potrošniški izdelki, kot so pametni telefoni in tablični računalniki. Ustrezni PNP-tranzistor je BC857BZ.
Zaključek
Za številne načine uporabe s preklapljanjem so bipolarni tranzistorji z nizko napetostjo nasičenja ne le ustrezna zamenjava za MOSFET-e, ampak ponujajo tudi prednosti: Imajo manjšo vklopno upornost, delujejo s krmilno napetostjo pod 1 V, so zelo temperaturno stabilni in niso občutljivi na ESD. Ker izklop deluje v obe smeri, se lahko izognemo drugemu MOSFET-u. Njihova izgubna moč in s tem segrevanje sta manjša, enako kot njihova cena.
