73

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99

SKRZYNKA PORAD

W TEJ RUBRYCE PRZEDSTAWIANE SĄ KRÓTKIE ODPOWIEDZI NA PYTANIA NADSYŁANE DO REDAKCJI.

SĄ TO SPRAWY, KTÓRE NASZYM ZDANIEM ZAINTERESUJĄ SZERSZE GRONO CZYTELNIKÓW. jEDNOCZEŚNIE INFORMUJEMY, ŻE REDAKCJA

NIE JEST W STANIE ODPOWIEDZIEĆ NA WSZYSTKIE NADSYŁANE PYTANIA, DOTYCZĄCE RÓŻNYCH DROBNYCH SZCZEGÓŁÓW.

Co to jest tranzystor IGBT? Dlaczego w EdW poświęca się tak mało uwagi tym nowoczesnym elementom?

Najprościej mówiąc, jest to rodzaj tranzystora, będący
skrzyżowaniem „zwykłego“ tranzystora bipolarnego z tran−
zystorem polowym MOSFET.
Wadą „zwykłego“ tranzystora bipolarnego jest znaczący
prąd bazy. Zwłaszcza tranzystory wysokonapięciowe mają
małe wzmocnienie i prąd bazy musi być duży. Oczywiście
oznacza to niepotrzebne straty mocy w obwodzie sterowa−
nia Wady tej nie ma tranzystor MOSFET, który jest stero−
wany nie prądem, tylko napięciem bramki. Patrząc od stro−
ny właściwości wejścia, tranzystor MOSFET jest zdecydo−
wanie lepszy.
Odwrotnie jest z obwodem wyjściowym. Jedynie tranzy−
story MOSFET na małe napięcia pracy mają małą rezy−
stancję w stanie otwarcia, wynoszącą kilka miliomów.
Tranzystory MOSFET na duże napięcia z konieczności ma−
ja znacznie większą rezystancję w stanie otwarcia (R

DS(on)

).

Przy przepływie dużego prądu przez taką rezystancję, na
tranzystorze występuje znaczny spadek napięcia, rzędu na−
wet kilku woltów i tym samym pojawiają się duże straty
mocy w postaci ciepła (P = U * I).
Inaczej jest w tranzystorach bipolarnych. Istotnym para−
metrem jest nie rezystancja w stanie otwarcia, tylko tak
zwane napięcie nasycenia. To napięcie nasycenia nawet
przy dużych prądach nie przekracza na ogół 1V. W związku
z tak małym spadkiem napięcia na otwartym tranzystorze,
także moc strat cieplnych jest znacznie mniejsza niż w wy−
sokonapięciowych tranzystorach MOSFET.
Tym samym patrząc od strony obwodu wyjściowego, przy
wysokich napięciach i dużych prądach korzystniejsze
właściwości mają tranzystory bipolarne.
Tranzystor IGBT łączy wspomniane zalety. Jak wskazuje je−
go nazwa (IGBT − Insulated Gate Bipolar Transistor), jest
to tranzystor bipolarny z izolowaną bramką. Od strony wej−
ścia (bramki) zachowuje się jak MOSFET − otwiera się po
podaniu napięcia (prąd nie płynie) między emiter a
bramkę. Od strony wyjścia jego charakterystyki przypomi−
nają tranzystor bipolarny.
W literaturze na schematach spotyka się różne symbole
tranzystorów IGBT. Przykłady pokazane są na rysunkach a,

b, c. Na rynku dostępne są jedynie tranzystory IGBT z ka−
nałem N, zachowujące się podobnie jak MOSFETy N i bipo−
larne NPN. Choć IGBT−ów P w praktyce nie spotyka się,
możliwa jest budowa takich tranzystorów.
Czytelnik EdW nie musi znać szczegółów budowy we−
wnętrznej takich elementów. Wystarczy, że będzie trakto−
wał je jako połączenie tranzystora bipolarnego i MOSFETa,
jak pokazano na rysunku d.
W firmowych notach aplikacyjnych i katalogach można
znaleźć dalsze wskazówki dotyczące właściwości oraz sto−
sowania tych elementów i obliczania obwodów współpra−
cujących z nimi. Z oczywistych względów takie szczegóło−
we analizy parametrów (zwłaszcza dynamicznych) oraz za−
chowania tranzystorów IGBT, nie są potrzebne większości
Czytelników EdW.
Tranzystory IGBT wykorzystywane są tam, gdzie trzeba
pracować przy wysokich napięciach i dużych prądach. Do−
stępne są tranzystory IGBT na zakres napięć mniej więcej
400...1200V o prądach pracy od 5A wzwyż.
Uwaga! Nie ma tranzystorów IGBT małej mocy, na małe
napięcia i małe prądy.
Elementy te używane są wyłącznie w obwodach dużej mo−
cy. Należy wyraźnie podkreślić, że cenne właściwości tran−
zystorów IGBT dają o sobie znać dopiero przy dużych
prądach (co najmniej kilka amperów) i wysokich napię−
ciach (przynajmniej kilkaset woltów). Tranzystory IGBT nie
są więc jakąś rewelacyjną nowością, którą powinno się
wprowadzać zamiast „starych“ tranzystorów bipolarnych i
MOSFETów. Nie ma więc uzasadnionej potrzeby stosowa−
nia ich w urządzeniach pracujących przy napięciach do
100V (tu lepiej sprawują się MOSFETy). Co prawda w lite−
raturze pojawiło się parę schematów wzmacniaczy mocy
audio z tranzystorami IGBT, ale należy to traktować raczej
jako wyraz zainteresowania nowymi elementami, a nie ja−
ko zabieg w istotny sposób poprawiający właściwości
brzmieniowe takich wzmacniaczy.

Oznaczenie 6dB/okt, czy 20dB/dekadę i podobne spotyka się
w opisach charakterystyk częstotliwościowych różnych u−
kładów, zwłaszcza filtrów. Najprostszy filtr dolnoprzepusto−
wy pokazany jest na rysunku 1, a filtr górnoprzepustowy −
na rysunku 2. Filtr dolnoprzepustowy, zgodnie ze swą
nazwą, przepuszcza sygnały o małych częstotliwościach, a
nie przepuszcza sygnałów o dużych częstotliwościach. W
filtrze górnoprzepustowym jest odwrotnie. Istnieją też filtry
pasmowoprzepustowe, przepuszczające tylko sygnały z ja−
kiegoś określonego pasma częstotliwości (np. pasmo tele−
foniczne 300Hz...3400Hz). Ważnym parametrem wszystkich
filtrów jest częstotliwość graniczna (w przypadku filtru pas−
mowego − dwie częstotliwości graniczne pasma przepusto−
wego: górna i dolna).

W idealnym przypadku filtr powinien przepuszczać sygnały
z pasma przepustowego i idealnie tłumić sygnały z pasma
zaporowego. Charakterystyka 1 na rysunku 3 pokazuje jak
wyglądałaby charakterystyka idealnego filtru dolnoprzepu−
stowego. Niestety, w praktyce filtrów idealnych nie ma. Za−
wsze istnieje jakaś „strefa przejściowa“ − zakres częstotli−
wości, dla których sygnał jest tłumiony, ale tylko w pewnym
stopniu − pokazuje to charakterystyka 2 na rysunku 3..
Zasada działania filtrów pokazanych na rysunkach 1 oraz 2
opiera się na właściwościach kondensatora. Filtr jest w rze−
czywistości najzwyklejszym dzielnikiem napięcia − pokazano
to na rysunku 4. Jak wiadomo, ze wzrostem częstotliwości
oporność (reaktancja) kondensatora maleje

Tym samym stopień tłumienia (i poziom sygnału na wy−
jściu) zależy od częstotliwości sygnału. Dlatego reaktancję
XC zaznaczono jako zmienną.

Rysunek 5 pokazuje charakterystykę rzeczywistego filtru z
rysunku 1, gdzie elementy RC wyznaczają częstotliwość
graniczną równą 1kHz
W elektronice chętnie posługujemy się skalą logarytmiczną,
bo zwykle pasuje ona do naszej rzeczywistości lepiej niż
skala liniowa. Na rysunku 5 taką skalę zastosowano zaró−

wno na osi poziomej (częstotliwość), jak i na osi pionowej
(tłumienie sygnału w decybelach). Przy wykorzystaniu na
rysunku 5 skali logarytmicznej okazuje się, iż charakterysty−
ka filtru składa się z dwóch niemal prostych linii. Dla
częstotliwości pasma przepustowego oporność kondensa−
tora jest większa niż oporność R i sygnał przechodzi na wy−
jście praktycznioe nie tłumiony. Przyjęta umownie częstotli−
wość graniczna fg, to taka częstotliwość, przy której opor−
ność kondensatora jest równa liczbowo oporności rezysto−
ra. Ponieważ oporność kondensatora nie jest rezystancją,

Co oznacza nachylenie 6dB/okt i podobne?

Rys. 1

Rys. 2

X

c

=

f

g

=

1

1

2

Π

f

C

2

Π

R

C

.

E

LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 1/99

74

tylko reaktancją pojemnościową, przy równych liczbowo
wartościach oporności (fachowo: modułach impedancji)
stosunek podziału takiego dzielnika będzie wynosił nie 1/2,
tylko 1/

√

2 1/2 czyli 0,707... czyli −3dB. (dla początkujących

może to być niezrozumiałe, ale tak jest dzięki przesunięciu
fazowemu między prądem i napięciem).
W każdym razie częstotliwość, dla której liczbowe wartości
oporności obu elementów są równe, i dla której tłumienie
sygnału wynosi 3dB nazywany częstotliwością graniczną.
Powyżej tej częstotliwości granicznej, w paśmie zaporo−
wym, oporność kondensatora jest mniejsza od oporności
rezystora i ze wzrostem częstotliwości sygnał na wyjściu
jest coraz mniejszy.
Powyżej częstotliwości granicznej przy dwukrotnym wzroś−
cie częstotliwości oporność, ściślej reaktancja kondensato−
ra zmaleje dwukrotnie. Dwukrotnie, czyli o 6dB. A każdy, kto
choć trochę uczył się muzyki wie, że dwukrotna zmiana
częstotliwości to zmiana częstotliwości... o oktawę. Czyli
charakterystyka filtru z zakresie zaporowym opada z szyb−
kością 6dB na oktawę. Tak samo przy dziesięciokrotnym
wzroście częstotliwości (czyli jej wzroście o jedną dekadę)
oporność kondensatora i wielkość sygnału na wyjściu
zmniejszy się dziesięciokrotnie. Dziesięciokrotnie, czyli o 20
decybeli. Inaczej mówiąc 20 decybeli na dekadę (20dB/dek).
Zilustrowano to na rysunku 5.
Trudne na pierwszy rzut oka oznaczenia okazują się bardzo pro−
ste. 6dB/okt to to samo co 20dB/dek i oznacza, że przy dwukrot−
nym zwiększeniu częstotliwości tłumienie zmieni się dwukrotnie
(przy dziesięciokrotnym − dziesięciokrotnie.
Dla prostego filtru (tak zwanego filtru pierwszego rzędu)
tłumienie w paśmie zaporowym tuż powyżej częstotliwości
granicznej jest niezbyt duże, bardzo często niewystarczaj−
ące. Przykładowo dla częstotliwości dziesięć razy większej

od częstotliwości granicznej sygnał jest tłumiony jedynie
10−krotnie (−20dB). W wielu przypadkach niezbędne są filtry
znacznie lepsze, czyli o bardziej stromych zboczach charak−
terystyki. Jak można się łatwo domyślać, połączenie kilku
takich filtrów pozwoli uzyskać ostrzejszą charakterystykę.
Przy zastosowaniu kolejno dwóch takich filtrów uzyska się
stromość opadania charakterystyki równą 12dB/oktawę
czyli 40dB/dekadę. W niektórych zastosowaniach wykorzy−
stuje się filtry o stromości zboczy wynoszącej 36dB/okt
(120dB/dekadę) lub filtry o jeszcze ostrzejszych zboczach.
Zawsze stromość zboczy filtru jest wielokrotnością tych
podstawowych 6dB/okt (i 20dB/dekadę). Zaprojektowanie
filtru mającego inną stromość charakterystyki (na przykład
3dB/oktawę do wytworzenia szumu różowego z szumu bia−
łego) wcale nie jest takie łatwe i wymaga sporo pracy. Na
marginesie należy nadmienić, że cały czas jest mowa o fil−
trach bazujących na obwodach RC z rysunków 1 i 2, a nie
chodzi tu o filtry LC wykorzystujące zjawisko rezonansu.
Trzeba też wyjaśnić inne nieporozumienie. Aby wykonać filtr
trzeciego rzędu, o tłumieniu 60dB/dekadę, nie wystarczy
połączyć trzy jednakowe kondensatory i rezystory według
rysunku 6. Trzeba pamiętać, że przy takim połączeniu każda
następna sekcja jest obciążeniem poprzedniej i tą drogą nie
udaje się uzyskać założonej stromości zbocza filtru. Filtry
drugiego rzędu (20dB/dek) i trzeciego rzędu (60dB/dek)
najczęściej buduje się przy użyciu wzmacniaczy operacyj−
nych i obwodów RC. Przykład prostego filtru trzeciego
rzędu i uzyskaną charakterystykę pokazano na rysunku 7 −
przebieg charakterystyki w okolicach częstotliwości grani−
cznej może być różny, zależnie od stosunku wartości pe−
wnych elementów filtru.
Temat projektowania filtrów to bardzo ciekawa, obszerna i
dość trudna dziedzina. Chcąc ją poznać trzeba zajrzeć do
specjalistycznej literatury, choćby któregoś z licznych wy−
dań bardzo wartościowej książki Kulka, Nadachowski A−
nalogowe układy scalone. Omówiono tam podstawowe fil−
try budowane w oparciu o wzmacniacze operacyjne. Dziś w
profesjonalnych zastosowaniach wykorzystuje się też tak
zwane filtry z przełączanymi pojemnościami. Z grubsza
biorąc jest to połączenie analogowego filtru RC z układem
cyfrowym. Dostępne są gotowe układy scalone zawierające
takie filtry. W najnowocześniejszych urządzeniach stosuje
się dziś prawdziwe filtry cyfrowe. Sygnał analogowy zamie−
niony jest na postać cyfrową i w tej postaci przetwarzany,
także filtrowany w cyfrowym procesorze sygnału (DSP). Ta−
ki prawdziwy filtr cyfrowy to nie jakiś oddzielny element (u−
kład scalony). Jest to... fragment programu komputerowe−

go! Właściwości takowego filtru ustalane są przez matema−
tyków−programistów.

Czym się różni kondensator poliestrowy od polistyrenowego? Gdzie są stosowane?

Generalnie różnią się one rodzajem dielektryka: w jednym kon−
densatorze jest to folia z tworzywa sztucznego zwanego polie−
strem, w drugim z tworzywa zwanego polistyrenem. Spotyka
się jeszcze kondensatory mające dielektryk z folii poliwęglano−
wej oraz polipropylenowej.
Dielektryk, czyli izolator wyznacza właściwości kondensatora,
takie jak na przykład tangens kąta stratności czy współczynnik
temperaturowy pojemności. Dla przeciętnego elektronika−ama−
tora rodzaj zastosowanego tworzywa zwykle nie ma większego
znaczenia. Przy niskich napięciach (poniżej 50V) istotna jest je−
dynie pojemność. Przy wyższych, także napięcie nominalne
(maksymalne napięcie na wyprowadzeniach).
Gdy w EdW podaje się wskazówkę, że ma być zastosowany
kondensator foliowy, może to być dowolny z wymienionych ro−
dzajów. Najczęściej będzie to kondensator poliestrowy (MKT,
MKSE), bo spośród kondensatorów foliowych takie są najpo−

pularniejsze. W wersji miniaturowej (rozstaw końcówek 5mm)
są wykonywane w zakresie pojemności 1nF...4,7µF. Jedynie w
nielicznych przypadkach materiał dielektryka może mieć zna−
czenie. i wtedy podaje się konkretny rodzaj. Przykładowo w ob−
wodach rezonansowych zwykle stosuje się kondensatory poli−
styrenowe (KS, krajowe KSF) mające dobrą stabilność cieplną
i długoczasową, ściśle określony, niewielki współczynnik tem−
peraturowy, które mogą być wykonywane z tolerancją nawet
±0,5%. Wadą są stosunkowo duże wymiary i niezbyt duża po−
jemność, praktycznie w zakresie od 47pF do 100nF. W obwo−
dach wymagających większych pojemności przy zachowaniu
dobrych właściwości cieplnych czasami proponuje się konden−
satory poliwęglanowe, mające niewielki współczynnik cieplny.
Kondensatory poliwęglanowe są jednak mało popularne i trud−
ne do zdobycia przez amatorów. W obwodach beztransforma−
torowych zasilaczy sieciowych stosuje się kondensatory pra−

cujące pod napięciem sieci 220V. Wykorzystuje się tu konden−
satory polipropylenowe (krajowe KFPM) na napięcie nominal−
ne (stałe) 400V, bądź poliestrowe, ale na napięcie (stałe) 630V.
W obwodach wysokiej częstotliwości kondensatory foliowe
stosuje się rzadko − w tym zakresie częstotliwości dominują
kondensatory ceramiczne.

Rys. 3

Rys. 5

Rys. 6

Rys. 7

Rys. 4