PE Tranzystor Darlingtona ESM4045DV Archiwum

PE Tranzystor Darlingtona ESM4045DV Archiwum

W mikroelektronice doskonale widać „krzywą uczenia się”. O wynikach ekonomicznych firm mikroelektronicznych i ich perspektywach rozwojowych decyduje m.in. uzysk produkcyjny czyli doskonałość technologii i poziom jej opanowania. Systematycznie tanieje jednostka powierzchni elementów wykonywanych technologią o małej rozdzielczości i rośnie ilość elementów (prawo Moore ) na jednostkę powierzchni przy jej stałej ( eliminując składnik nowości z ceny rynkowej ) cenie. Nowa technologia fotolitograficzna integruje w urządzeniach procesowych osiągnięcia fizyki i chemii. Prawdziwej nauki nie uprawia się ”sobie a muzom” ale dla celów praktycznych teraźniejszych i przyszłościowych.

Ceny mikroelektroniki są też manipulowane politycznie. Japonia prowadząca wojnę gospodarczą ze światem generalnie drogo sprzedaje elementy elektroniczne a tanio gotowe wyroby z nimi jeśli potrafi gotowe wyroby sprzedawać a w przeciwnym razie elementy są tanie lub bardzo tanie jak pamięci dynamiczne. Nowoczesna mikroelektronika i jej technologia objęte są embargiem dla bloku wschodniego.

Odkryty w 1956 roku tyrystor ( o zjawisku wiedziano od 1950roku ) szybko wdrożono do produkcji bowiem technologia mikroelektroniczna rozwinęła się już wraz z produkowanym tranzystorem. Tyrystor na długo zdominował energoelektronikę.

Komutowane siecią tyrystorowe prostowniki - falowniki 4 kwadrantowo zasilające wykonawcze silniki prądu stałego wydaję się całkiem dobre. Układ jako prostownik pobiera energie z sieci i przekazuje ją silnikowi a przy hamowaniu kąt załączenia tyrystorów jest duży i falownik oddaje energie hamowania silnika do sieci.

W rozległym systemie energetycznym cały czas trwa gdzieś awaria. Awarie w sieci energetycznej są izolowane rozłączającymi bezpiecznikami i wyłącznikami energetycznymi. Napięcie sieciowe w czasie rozłączania awarii silnie spada w jednej lub dwóch fazach przez półokres lub cały okres napięcia sieciowego. Zasilacze urządzeń elektronicznych a w tym komputerów powinny zapewnić nieprzerwaną prace urządzenia przy „braku” jednej lub dwóch półfali napięcia sieciowego.

Przy chwilowo obniżonym napięciu sieciowym w fazie lub dwóch fazach tyrystorowy prostownik - falownik pracując w modzie prostownika najczęściej dalej prawie normalnie działa. Najwyżej przez chwilę obniżone jest napięcie wyjściowe. Natomiast w modzie falownika z powodu za małego napięcia chorej fazy lub faz wyzwalany tyrystor nie przejmuje w procesie komutacji prądu normalnie wyłączanego tyrystora i następuje tak zwany przewrót falownika. Zamiast wyjściowego napięcia średnio ujemnego ( umownie) i hamowania pojawia się na wyjściu napięcie dodatnie i solne przyspieszenie silnika ! Efekt zakłócenia napięcia sieciowego próbowano minimalizować stosując w sterowniku fazowym pętle fazową PLL ale rezultaty są nie zadawalające. Podatność na „przewrót falownika” jest tym większa im większy jest maksymalny kąt wysterowania falownika i mniejszy margines komutacji. Gdy zaś zmniejszymy mocno maksymalny kąt pracy falownikowej nie można napędu za mocno rozpędzić przy pracy silnikowej bowiem duża SEM uniemożliwi delikatne hamowanie. W rezultacie zakłócenia pracy prostownika – falownika i serwomechnizmu obrabiany na maszynie CNC detal może być czasem uszkodzony i do wyrzucenia a narzędzie skrawające uszkodzone. Niebezpieczne dla konstrukcji potężnego dźwigu portowego i szybkiej windy osobowej jest bardzo mocne szarpnięcie. Przewrotowi falownika może towarzyszyć zadziałanie bezpiecznika. W takim razie technik po diagnozie musi wymienić bezpiecznik. Skutki przewrotu falownika, tam gdzie są niebezpieczne, minimalizuje się wykonując komutacje wymuszoną przyłączonym do wyjścia prostownika – falownika extra tyrystorem, naładowanego kondensatora. Tyrystor komutacji awaryjnej jest sterowany ekstra układem, rzadko stosowanym w urządzeniach małej i średniej mocy. Prostownik – falownik zawsze powinien być od strony sieci chroniony warystorami przed szpilkami napięć zakłóceń z sieci energetycznej. Zresztą nie bardzo wiadomo jaka jest optymalna strategia postępowania przy przewrocie falownika. W części urządzeń odcina się dopływ energii z sieci.

Podobnie na perturbacje sieci wrażliwy jest cyklokonwerter i z tego względu ma również marną opinie użytkowników. W urządzeniach wielkiej mocy z mikrokomputerami przewroty falowników są rejestrowane.

Falowniki tyrystorowe z komutacją wymuszoną McMurraya i McMurraya – Bedforda opracowano w General Electric w połowie lat sześćdziesiątych. Opracowano też dla prądu stałego choppery. Wadą każdego układu tyrystorowego z wymuszoną komutacją są duże prądy szczytowe komutacji oraz duże straty energii w indukcyjności komutacyjnej L a nawet w specjalnym polipropylenowym kondensatorze komutacyjnym i gasikach RC oraz tyrystorach i diodach. Częstotliwość pracy układów tyrystorowych jest niska.

Produkcja falowników tyrystorowych była mała a one uchodziły za zawodne.

Najszybsze produkowane tyrystory asymetryczne ASCR zastosowano w układzie odchylania poziomego odbiorników TVC tylko dlatego że brak było odpowiednich tranzystorów. Gdy podjęto produkcje tranzystorów wysokonapięciowych tyrystory od razu porzucono w układzie H-Out a nowe odbiorniki pobierały z sieci o wiele mniej energii a mniej się nagrzewając były o wiele trwalsze mimo postępującej komplikacji i dodawania funkcjonalności.

O ile w okresie dużych odkryć pojawiały się bardzo wartościowe opracowania z laboratoriów koncernów GE, Westinghouse, Siemens, Asea, Toshiba, Mitsubishi .. to obecnie czasopisma poświęcone energoelektronice zapełniają jałowe i bezwartościowe publikacje akademickie. Jednym z modnych tematów są konwertery „soft switching” czyli w gruncie rzeczy trochę zmienione dla nowych kluczy rozwiązania z komutacją rezonansową - wymuszoną tyrystorów. O ile „soft switching” zapełnia łamy czasopism naukowych to nie ma ani jednego produkowanego urządzenia gdzie stosowane są te idee. Popularyzacja komputerów PC i programów symulacyjnych sprawia ze bardzo łatwo jest sporządzić „naukowy” artykuł dołączając do niego wydruku z programu symulacyjnego.

Tyrystor nie jest dobrym kluczem do invertera ! Popularyzacje inverterów małej i średniej mocy przyniosą dopiero Darlingtony i tranzystory IGBT. Nic dziwnego że Fanuc zrezygnował z tyrystorów jak tylko pojawiły się dojrzałe Darlingtony modułowe.

Produkcję tranzystorów wysokonapięciowych mocy o Uce=400V podjęto na przełomie lat sześćdziesiątych i siedemdziesiątych. Mimo wysokiej ich ceny nowości bardzo szybko pojawiły się zasilacze impulsowe SMPS z nimi. Konstrukcja i produkcja tranzystorów wysokonapięciowych cały czas jest doskonalona. Fizyka jest nieubłagana – im wyższe jest napięcie Uceo tranzystora tym mniejsze jest wzmocnienie tranzystora i mniejsza częstotliwość graniczna Ft czyli klucz jest wolniejszy. Tranzystor BU208/508 do stopnia H-Out w odbiorniku TVC przy dużym prądzie i małym napięciu Uce ma wzmocnienie ca 2-3 razy.

Sterowanie tranzystorów dużymi prądami quasi-statycznymi jest kłopotliwe.

Produkcje tranzystorów Darlingtona podjęto już na początku lat siedemdziesiątych. Philips wypuścił później tranzystory rodziny BDV64-65 o bardzo szerokim obszarze pracy bezpiecznej SOA nadające się m.in. do wzmacniaczy mocy Audio ale Darlingtony we wzmacniaczach Audio nie znalazły szerokiego zastosowania z powodu marnej stabilności termicznej prądu spoczynkowego i konieczności powiększenie wartości rezystorów emiterowych Re co daje spadek mocy wyjściowej. Chętnie natomiast Darlingtony używane są jako wszelkie przełączniki. Są elementem wykonawczym nowoczesnego, miniaturowego i niezawodnego regulatora alternatora w każdym samochodzie.

Tranzystor silnikowego samochodowego zapłonu elektronicznego musi przy pełnym napięciu Uce zaabsorbować pełną energie z cewki zapłonowej przy awaryjny braku iskry na świecy. Alternatywą jest dodatkowe zastosowanie ochronnej diody Zenera dużej mocy która przecież jest droga. Dopiero opracowanie specjalnej konstrukcji Darlingtonów spowodowało gwałtowne rozpowszechnienie zapłonu elektronicznego. Darlington Motoroli BU323A przy napięciu Uce=400V toleruje potężny impuls o energii 550 mJ podobnie jak typy japońskie

Tranzystory te nie są przewidziane do szybkiego wyłączania i ich czas opadania prądu wynosi ponad 5 us a więc jest koszmarnie długi co w zapłonie nie ma znaczenia.

Nowoczesny modułowy tranzystor Darlingtona Thomsona ESM4045DV na napięcie Uceo=450V i prąd Ic=42A ma wbudowaną ultraszybką diodę antyrównoległą. Producent nie podaje ile struktur umieszczono w module ISOTOP. Najsilniejszy Darlington Thomsona w obudowie TO3 jest na prąd Ic=24A i napięcie Uceo=450V. W module wyprowadzono obie bazy tranzystorów składowych Darlingtona co daje dowolność w komponowaniu drivera. Jako obszary aplikacji producent wskazuje invertery do silników, zasilacze SMPS i UPS oraz zasilacze do spawarek. Tranzystor ma jako przełączniki prostokątny obszar bezpiecznej pracy SOA i jest przeznaczony do pracy bez snubbera co jest cenne. Oprócz obszaru SOA podano także Incydentalny Obszar Pracy – AOA, Accidental Overload Area. Jak sama nazwa wskazuje na granicy obszaru przeciążenia incydentalnego przyrząd może znaleźć się tylko ograniczoną ilość razy w swoim życiu.

Darlington ma wewnętrzną izolacje o wytrzymałości 2500V od metalowej podstawy odbudowy montowanej na chłodzącym radiatorze. Tranzystory te nadają się do budowy invertera na jednej płycie drukowanej. Skoro Thomson powiedział A to powinien też wzorem koncernów japońskich powiedzieć B i produkować mostki trójfazowe Darlingtonów do inverterów oraz jednostki na wyższe napięcie Uceo aby inverter można było zasilać wprost z wyprostowanego napięcia trójfazowego 380Vac bez transformatora obniżającego napięcie sieciowe.

Tranzystory Darlingtona w inverterach nigdy nie pracują w nasyceniu. Podany czas magazynowania ts przy wyjściu z nasycenia jest bez znaczenia. Z kolei nie podano czy na granicy nasycenia Uceo=Ube już występuje czas magazynowania. Tranzystory wysokonapięciowe ze swoim quasi nasyceniem mają swoje specyficzne zachowanie co trzeba brać pod uwagę. Czas wychodzenia z nasycenia ogranicza faktyczną maksymalną głębokość modulacji PWM i jest bardzo niepożądany. Nie podano także jaki jest ujemny prąd bazy przy wyłączaniu a jedynie że źródło wyłączające ma mieć napięcie -5V i oporność 0.6 Ohma. Przypomnieć należy że przy zbyt dużym prądzie wyłączania bazy tranzystora wysokonapięciowego występuje przeciąganie prądu kolektora i prąd wyłączania może być tym większy im bardziej rozwinięta jest linia bazy. W nowoczesnych tranzystorach jest on duży. Wzmocnienie tego tranzystora przy prądzie nominalnym przy Uce=5V wynosi ca 200 a na granicy nasycenia przy Uce=Ube=2.1V przy prądzie nominalnym, ponad 100 razy. Wzmocnienie tranzystora szybko maleje z prądem kolektora a jednocześnie psuję się parametry dynamiczne (dodatkowo pogarsza je podniesiona temperatura przyrządu ) to znaczy wzrastają straty energii przy przełączaniu. W typowym zastosowaniu w inwerterze prąd bazy przy włączaniu winien być szybko większy od 0.75-1A i wtedy prąd kolektora narasta z prędkością ca 200-250A/us a dioda antyrównoległa osiągając przez moment prąd wsteczny ca Irm 20-30A wyłączy się szybciej niż po 100 ns.

Przy załączeniu tranzystora po początkowo szybkim spadku napięcia Uce spadek przy mniejszych napięciach w obszarze quasi-nasycenia spowalnia co dobrze tłumaczy model ładunkowy tranzystora. Typowo Uce( 3 us) = 4.5V a Uce ( 5 us) = 2.5V.

Przy zasilaniu inwertera napięciem circa 300Vdc bez przekraczania prądu nominalnego przy dobrym sterowaniu straty dynamiczne przekroczą straty statyczne przy częstotliwości około 10 KHz.

Driver tego Darlingtona taki jak użyty w serwo wzmacniaczu Seidel jest wystarczająco dobry aczkolwiek ma on mankamenty które omówiono. Scalenie drivera do takiego tranzystora jest obecnie całkiem łatwe.

W sztuce "R.U.R. - Rossumovi Univerzalní Roboti", czeskiego pisarz Karela Capka z 1921 roku robot to produkowana w fabryce uproszczona wersja człowieka przeznaczona do ciężkiej fizycznej pracy. Słowo robot pochodzi od słowiańskiego słowa robota oznaczającego powtarzalną ciężką pracę fizyczną. Pierwszy zachodni patent na robota jest z 1954 roku. Pierwszy film z robotami "Metropolis" jest z 1927 roku.