adam_cebula-tranzystory.pdf

(1009 KB) Pobierz
Adam Cebula „Emocjonalnie o tranzystorach”
Foto: Wikipedia
Proszę państwa, oto miś! To znaczy – oto tranzystor. Jak wyglądał wąsaty
germanowy protoplasta dzisiejszych miniaturek, można się łatwo przekonać,
spoglądając na zdjęcie.
Robiąc małą kwerendę po sieci odkryłem, że – ku mojemu zdumieniu – tranzystory
przechodzą do historii. Tranzystor o oznaczeniu TG 5 sprzedaje się po 54 złocisze sztuka,
pisze się o nim „legendarny”. Pomyślałem sobie, że czas na kilka osobistych refleksji
o technologii, która dziś jest wszechobecna.
Refleksja jest taka, że trzeba było mieć sporo wyobraźni, żeby w tę technologię wierzyć.
W półprzewodniki. Startowało to z takiego punktu, że człowiek drapał się po głowie: po co
to komu? Prawdopodobnie cała historia miałaby zupełnie inny przebieg, gdyby nie zupełnie
inne nastawienia „tamtych ludzi” do nowoczesności i (zapewne) do marzeń. Każdy chciał
mieć maleńkie radio. Maleńkie było na tamte czasy, na dzisiejsze – ogromne, wielkości torby
na zakupy. Ale przenośne.
O tym, jak wynaleziono tranzystor, o historii jego produkcji, można poczytać w wielu
miejscach. Natomiast o tym, jak te pierwsze konstrukcje były kiepskie – mało gdzie.
Nie wiem jaki typ historycznie pierwszy pojawił się w Polsce, ale wiem, że pochodził z serii
TG1–TG5. Zaczęto je produkować około roku 1960 i zakończono około 1970. Z dzisiejszego
punktu widzenia są do niczego. Podstawowe parametry, np. dopuszczalne napięcie kolektor-
emiter 10 woltów, powodują, że każdy projektant straci wiarę w siebie. Układ zbudowany
na czymś takim właściwie można zasilać bateryjką 4,5 wolta.
Kolejny parametr: dopuszczalna temperatura złącza – 75 stopni. Oznacza tyle, że jak
położymy paczkę z takimi tranzystorami na słońcu, mogą tego eksperymentu nie przetrwać.
Kolejny parametr: prąd kolektora –10 miliamperów. To jedna setna ampera. Prąd, który jest
w stanie wychylać wskazówki mierników, ale już nie potrafi rozżarzyć włókna malutkich
żaróweczek, bo nawet te miniaturowe potrzebowały go pięć razy więcej.
Współczynnik wzmocnienia tego tranzystora, tak zwana w żargonie „beta” (od greckiej
litery, jaką się go oznacza), wynosił od 9 do 20. Prawie nic na dzisiejsze czasy. Wreszcie
parametr, który może być dla nieelektroników tajemniczy mimo prostej nazwy, czyli
maksymalna częstotliwość pracy 0,3 MHz, kładła na łopatki możliwość zbudowania przy
pomocy tego czegoś przenośnego radyjka.
Ostatnia dana mówi nam, że to coś nadawało się tylko do budowy części wzmacniacza
małej częstotliwości. Części, nie całości.
Sygnały radiowe, które odbiera antena dla zakresu fal długich, leżą w przedziale
150-300 kHz, to jest 0,15–0,3 MHz. Nasz tranzystor wbrew stwierdzeniu „dopuszczalna
Źródło tekstu: www.fahrenheit.net.pl
Adam Cebula „Emocjonalnie o tranzystorach”
częstotliwość pracy” nie poradzi sobie, bo podana wartość oznacza, że naprawdę dobrze
będzie pracował przy częstotliwościach jakieś dziesięć razy niższych. Czyli akustycznych,
nie radiowych. Konkluzja jest taka, że w dawnych czasach, gdy nie było porządnych
tranzystorów, tor radiowy musiał być zbudowany na czymś innym – na lampach.
Wadą lamp jest duża moc konieczna do żarzenia katody. Mniejszą (ale kłopotliwą) jest to,
że pracują one przy stosunkowo wysokich napięciach. Poza tym mają w stosunku
do tranzystorów właściwie same zalety. Na przykład wytrzymują krótkotrwałe ogromne
przeciążenia, przy odpowiednim doborze czasu i wielkości takiego przeciążenia, praktycznie
bez szkody. To powoduje, że za pomocą lamp można np. emitować krótkotrwałe impulsy
radiowe o ogromnej mocy. Tak pracują radary. Lampa pracuje przez czas 1 mikrosekundy,
po czym następuje przerwa trwająca kilka dziesiątych sekundy. W tym czasie ciepło, które
się wydzieliło (głównie na anodzie) jest rozpraszane, czy można powiedzie inaczej, rozchodzi
się po konstrukcji i lampa utrzymuje przyzwoitą temperaturę.
Tranzystor „pada” przy bardzo krótkich przeciążeniach. Różnica pomiędzy nim a lampą
wynika z tego, że w lampie element nagrzewający się, owa anoda, to kawał blachy.
W tranzystorze objętości newralgicznych fragmentów konstrukcji są mikrusie, ich masa
to mikrogramy. Pojemność cieplna blachy przy nich jest potężna, nawet jeśli jest to blaszka
o grubości folii. Ponadto blacha ulega uszkodzeniu przy temperaturze dobrze ponad
500 stopni Celsjusza, a tranzystor germanowy, bo z takiego materiału były robione te
pierwsze, pada po przekroczeniu 75 stopni Celsjusza.
W rezultacie urządzenia z tranzystorami stawiały przed ludźmi, którzy się nimi
zajmowali, zupełnie nowe wymagania, jeśli chodzi o serwis i budowę. W urządzeniu
lampowym, jak się nam obsunął śrubokręcik, to zaświeciła na moment siatka lampy i na tym
się problem kończył, w tranzystorowym niekontrolowane zwarcie praktycznie zawsze
prowadziło do rozległych uszkodzeń.
Niska dopuszczalna temperatura przyrządów powodowała problemy podczas lutowania.
Przegrzewanie elementów podczas operacji do tej pory zdarzało się wyjątkowo, teraz trzeba
było mocno uważać. Trzeba było zmienić oprzyrządowanie, np. wprowadzić zasilacze
z zabezpieczeniami przeciwzwarciowymi.
Dopiero wprowadzenie w okolicy połowy lat 60. „nowoczesnych” tranzystorów
na „wysokie” częstotliwości (cudzysłowy odnoszą się do współczesnych czasów, takich jak
TG 40, który miał częstotliwość graniczną 40 MHz) pozwalało zbudować „prawdziwe” radio
tranzystorowe, bez lamp. Gdzieś w tych okolicach pojawiły się też rewelacyjne, jak na tamtą
rzeczywistość, tranzystory mcz TG 50, na których dawało się zbudować wzmacniacz mocy,
który mógł zasilać miniaturowy głośnik.
Warto się chwilę zastanowić: trzeba było sporo entuzjazmu, przynajmniej na początku,
by się wynalazkiem pod nazwą tranzystor germanowy w ogóle zajmować. Od pierwszych
konstrukcji do takiego opanowania technologii, żeby dało to wyraźny zysk, musiało minąć
kilka lat. Dopiero gdy weszły owe niezwykłe półprzewodniki pracujące na częstotliwościach
radiowych, i tranzystory, które wytrzymywały trochę więcej niż 10 woltów i kilka
miliamperów prądu, można było zbudować radyjko wielkości mydelniczki, które odbierało
fale długie, średnie i nic więcej. Ale to już miało sens, bo nie było w tym żadnych lamp.
Jaka była zaleta tranzystorów, że konstruktorzy nie powiedzieli producentom „dopóki
nie zrobicie czegoś o sensownych parametrach, nie zawracajcie nam głowy”? Ograniczenie
mocy. Lampy potrzebują, by dobrze pracować, kilka watów najmniej – tranzystor kilka
setnych części wata. Czyli spadek mocy wynosił lekką rączką licząc 100 razy. To chyba
tłumaczy, dlaczego nie ciepnięto owego produktu od razu do kosza. Wbrew pozorom
Źródło tekstu: www.fahrenheit.net.pl
Adam Cebula „Emocjonalnie o tranzystorach”
miniaturyzacja, moim subiektywnym zdaniem, nie była zasadniczym powodem. Objętość,
jaką zajmował tranzystor germanowy, na początku była może dwa trzy razy mniejsza
od objętości lampy, a to z powodu trudności z lutowaniem, trzeba było zostawić długie nóżki.
Dopiero za jakiś czas nauczono się je zwijać. A gdyby nie to drastyczne ograniczenie mocy,
nic by z miniaturyzacji nie wyszło, bo albo „gotowałby się” sam tranzystor, albo elementy
wokół niego.
Jak był to kłopotliwy element, można się przekonać, czytając stare poradniki dla
radioamatorów. Pobrzmiewa w nich moc irytacji wywołanej legendarną wręcz wrażliwością
półprzewodników. Tak na marginesie – warto przypomnieć sobie o odporności urządzeń
lampowych. Nie na darmo Ludowe Wojsko Polskie broniło się przed tranzystorami. Wejście
odbiornika, gniazdo, do którego podłączamy antenę, w technologii lampowej można było
w wojskowym wykonaniu podłączyć do sieci 230 woltów ( wówczas 220) . Można było być
pewnym , że w wyniku takiego eksperymentu najwyżej wywali bezpieczniki, odbiornikowi
nic się nie stanie. Oczywiście niestraszny mu impuls elektromagnetyczny. Podejrzewam,
że te konstrukcje przetrwałyby wybuch dowolnie silnej bomby jądrowej, byleby nie znalazły
się w strefie, w której zostałyby zniszczone mechanicznie. I tak sobie myślę, że jak rozmaici
mądrale nas dziś straszą armagedonem na skutek burzy słonecznej, to nie zdają sobie
sprawy z tego, że wspomniane obsunięcie się śrubokręta dostarczało do siatki lampy tysiące
razy większą energię niż realnie występujące impulsy wywołane nawet uderzeniami
piorunów. Wrażliwość urządzeń elektronicznych jest wynikiem technologicznego
niechlujstwa, a nie cechą, której nie da się zneutralizować.
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
Źródło tekstu: www.fahrenheit.net.pl
Adam Cebula „Emocjonalnie o tranzystorach”
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
Źródło tekstu: www.fahrenheit.net.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin