Tradicionalna i najstarija poluprovodnička elektronska upravljiva komponenta jeste bipolarni tranzistor. Koriste se često jer najveći broj inženjera ga poznaje bolje od svih drugih upravljivih komponenti a uz to je i jeftiniji za istu snagu. Prednost je i ogroman broj kućišta u koje se pakuje.

Princip rada i osnovne karakteristike

Sam princip rada snažnih tranzistora je naravno isti ili veoma sličan kao kod tranzistora malih i srednjih snaga. Karakteristike kao što su pojačanje h_FE, saturacija i ostali režimi kao i strujni način upravljanja opisanu su u tekstu u tekstu bipolarni tranzistori. Pod snažnim tranzistorima podrazumevaju se oni koji izdržavaju bar V_CEO = 100V u isključenom stanju i struju kolektora I_C od nekih destak ampera u uključenom stanju. Mnogo češće od pojedinačnih snažnih tranzistora sreću se dva tranzistora integrisana u Darlingtonov spoj. Struktura snažnih tranzistora je najčešće je četvoroslojna. Prednosti takve strukture su brojne. Ne zalazeći duboko u teoriju o tranzistorima napomenućemo da je osnovni problem tranzistora troslojnih struktura za veće snage to što kolektorska oblast unosi previše otpornosti jer je velika i slabo dopirana. Kolektorska otpornost uzrokuje preveliki pad napona između koletora i emitera čak i pri direktnoj polarizaciji spoja kolektor – baza tj. u saturaciji. Četvrti, n+ sloj, smanjuje tu otpornost na neku razumnu meru ali i pored toga snažni tranzistor prelazi u režim saturacije preko režima kvazisaturacije. Na slici 1. je prikazana struktura snažnog četvoroslojnog tranzistora kao i izlazna karakteristika upoređena sa običnim troslojnim tranzisorom.

Pojava kvazisaturacije označava da je tranzistor polarisan za saturaciju ali je pad napona V_CE velik i iznosi oko ~2V. Povećavanjem struje baze smanjuje se kolektorska otpornost i tada tranzistor ulazi u pravu saturaciju. Rad u oblasti kvazisaturacije omogućava pojačanja u vrednosti između 5 i 10. Velika struja baze uzrokuje veliko nagomilavanje nosilaca u bazi a samim tim i spor prekidački rad. Radna frekvencija snažnih tranzistora ne prelazi ~10kHz. Mora se napomenuti da kod svih tranzistora i modula gde se oni koriste, postoji opasnost kako od primarnog tako i od sekundarnog proboja što znatno smanjuje kretanje radne tačke odnosno oblast sigurnog rada (SOA) Na slici 2. prikazana je oblast sigurnog rada pri direktnoj i inverznoj polarizaciji.

Dinamika rada snažnog tranzistora

Što je veća snaga kojom se upravlja i što je snažniji tranzstor, neophodno vrlo pažljivo proučiti način na koji će se tranzistor uključivati/isključivati. Ako se ne obraća pažnja na način upravljanja gubici će postati veliki a sam tranzistor će veoma sporo raditi. Kao i slabijim tranzistorima i snažnim tranzistorima se može upravljati sa unipolarnim strujnim signalom na bazi. Da ne bi detaljisali suviše, dijagrami signala prilikom prekidanja tranzistora sa rezistivnim opterećenjem prikazani su na slici 3. Činjenica je da je isključivanje tranzistora dovođenjem mase na bazu najgora moguća stvar, pogotovo za snažne tranzistore. Ovim se drastično smanjuje brzina rada tranzistora.

Da bi se ubrzao rad kola koriste se topologije kaskodnog prekidača i ubrzavajućeg kondenzatora koji će biti prikazani u tekstu ubrzavajuća kola snažnog tranzistora.

Darlington modul

Osnovne karakteristike

Mnogo šire je rasprostranjena upotreba Darlington modula od pojedinačnih snažnih tranzistora gde god se sreću veliki naponi i struje i posebno na mestima gde je potrebno omogućiti upravljanje sa malim strujama. Takav slučaj imamo kod raznih interfejsa. Prednosti Darlingtona su velike. Pre svega dobija se pojačanje reda ~1000 i veća struja kroz kolektor komponente. Električna šema Darlington komponente sa vaznim strujnim tokovima prikazana je na slici 4.

Princip rada

Modul sadrži pored dva tranzistora i dva otpornika (R1 i R2) sa diodom D1, što se može videti na slici 4. Otpornici R1 i R2 nazivaju se i stabilizujući otpornici jer smanjuju vreme nagomilavanja nosioca u bazama tranzistora. Dioda ima ulogu pri uključivanju negativnog napona da bi se nagomilani nosioci brže ispraznili. Razlika pri uključivanju Darlingtona od običnog tranzistora jeste ta što U_B mora biti bar 1,4 V jer je potrebno polarisati dva baza-emiter spoja. Da bi se procesi isključivanja i uključivanja skratili, nepohodno je odrzavati u aktivnom režimu oba tranzistora što iziskuje egzistiranje režima kvazisaturacije pri čemu je radna tačka darlingtona negde na kolenu karakteristike. Na taj način je nađen kompromis između brzine isključivanja, pojačanja i gubitaka u provodnom stanju. Proces uključivanja darlingtona zahtva nagli skok bazne struje za T2. Otpornik R1 napaja bazu T2 strujom i pre nego se T1 uključi što smanjuje kašnjenje uključivanja T2 uz odnosu na T1 te stoga T1 mora da istrpi izvesni strujni udar što je kritičan trenutak. Vreme uključivanja darlingtona ipak je približno jednako vremenu uključivanja svakog od tranzistora:

Data jednakost lako se uočava sa dijagrama isključenja na slici 5. u slučaju induktivnog opterećenja.

Tok isključivanja je isti. Prvo se isključi T1 a zatim i T2 ili kaskadno isključivanje. Pri isključivanju nepohodno je koristiti negativan strujni impuls na bazi tranzistora T1. Vreme isključivanja sastoji se od vremena nagomilavanja tranzistora T1 i T2 i od vremena pada T2 što sve možemo videti na slici 5b. Kao i svakom snažnom tranzistoru i Darlington modulu mogu dobro da posluže antisaturaciona kola za ubrzavanje rada. Njihova topologija je ista kao i kod običnih tranzistora što je već prikazano na slici 1 sa malom razlikom da je na ulaz Darlington modula tj. na bazu prvog tranzistora potrebno vezati na red dve diode zbog dva spoja baza-emiter u Darlington modulu, slika 6.