Ce înseamnă SOA (Safe Operating Area) ?

Bine te-am găsit !

Ţin minte că la primele mele experienţe cu amplificatoare audio de putere, când nu aveam la îndemână tranzistoarele de putere propuse în schemă, mă uitam rapid după altele alese după un criteriu foarte simplu: să suporte valorile maxime ale curenţilor şi tensiunilor din montaj. Habar nu aveam de SOA (Safe Operating Area) şi de aceea uneori tranzistoarele respective pur şi simplu crăpau. Pentru a explica de ce mi se stricau atunci tranzistoarele, astăzi vom vorbi despre:

• Ce reprezintă puterea unui tranzistor ?
• Ce este SOA (Safe Operating Area) ?

Ce reprezintă puterea unui tranzistor ?

Mulţi au impresia că puterea unui tranzistor este puterea pe care o poţi obţine dintr-un montaj realizat cu acesta. În realitate puterea unui tranzistor este  puterea electrică pe care acesta o poate pierde aiurea datorită imperfecţiunilor sale sau datorită modului de lucru impus de montajul electronic din care face parte. Un tranzistor nu poate pierde putere electrică decât transformând-o în căldură. Acestea fiind zise putem concluziona că:

Puterea unui tranzistor reprezintă puterea electrică pe care acesta o poate transforma în căldură fără să se distrugă.

Puterea unui tranzistor este dată de producătorul acestuia într-o specificaţie tehnică (sau datasheet).

Eu însă la început, când aveam nevoie de un tranzistor de putere, mă uitam repede în datasheet-ul lui după tensiunea şi curentul maxim pe care îl suportă, înmulţeam aceste valori una cu alta, şi aşa (credeam eu că) obţin puterea tranzistorului. Puterea asta o comparam din ochi cu puterea electrică cu care lucra schema unde voiam să folosesc eu acel tranzistor şi de fiecare dată concluzionam că “trebuie să ţină”. Însă “calculul meu” dădea greş aproape de fiecare dată.

În timp am observat că în datasheet-ul unui tranzistor este trecută puterea lui şi că aceasta este mult, mult mai mică decât îmi ieşea cu calculul de care vorbeam mai sus. Apoi am mai înţeles că, chiar dacă datasheet-ul unui tranzistor spune că rezistă la tensiuni şi la curenţi mari, asta nu înseamnă neapărat că îl poţi folosi fără nici o grijă în regimuri de lucru în care trebuie să suporte şi tensiune şi curent în acelaşi timp. De ce ? Pentru că U (tensiune) x I (curent) = P (Putere), ceea ce înseamnă că dacă expui tranzistorul în acelaşi timp şi la tensiune şi la curent, puterea electrică pe care el trebuie s-o transforme în căldură poate depăşi valoarea maximă, moment în care se încălzeşte până crapă.

Să luăm exemplul unui tranzistor de 100V/50A, despre care producătorul declară că poate disipa 100W. Acesta va funcţiona până la adânci bătrâneţi într-un regim de lucru care-i cere să suporte la borne 100V şi să lase să treacă prin el 0,5 A, deoarece puterea disipată pe el va fi de doar 100V X 0,5A =50W. La fel de bine va funcţiona şi într-un regim de lucru care-i cere să suporte la borne 1V şi să lase să treacă prin el 50A, pentru că puterea disipată pe el va fi tot de 50W. Când însă regimul de lucru îi cere să suporte, de exemplu 100V şi să lase să treaca 10 A este evident că avem o problemă: puterea disipată pe el va fi de 100V X 10A = 1000W, adică de 10 ori mai mare decât puterea declarată de producător (care în exemplul nostru era de 100 W).

O analogie simplă: funcţionarea tranzistorului se aseamănă foarte bine cu situaţia în care tragi cu mâna o sfoară legată la celalalt capăt de un obiect fix. În funcţie de comanda primită, un tranzistor lasă să treacă prin el un curent mai mare sau mai mic. Analog, în funcţie de cât de tare strângi sfoara, poţi transfera sforii o forţă mai mare sau mai mică. Când strângi foarte puţin sfoara sau când o strângi tare încât să nu-ţi alunece deloc, totul e bine. Când însă încerci să tragi sfoara strângând-o undeva între foarte încet şi foarte tare o să simţi că frecarea dintre sfoară şi palmă o să-ţi încălzească sau chiar o să-ţi frigă palmele. Exact la fel se întâmplă şi la tranzistoare. Când le ţii doar puţin deschise este ca şi cum ai strânge sfoara foarte puţin; când le ţii deschise, foarte aproape de saturaţie, este ca şi cum ai ţine sfoara foarte strâns iar când le ţii parţial deschise se vor încălzi, la fel ca şi palmele tale când nu ţii bine strânsă frânghia.

Puterea unui tranzistor, aşa cum este ea dată în datasheet-uri, este un mod brut, aproximativ prin care producătorul lui îţi dă o idee despre cât de solid este acel tranzistor. Pentru o evaluare mai precisă există grafice SOA, despre care voi vorbi imediat. Concret, dacă vrei să afli dacă un tranzistor va funcţiona mult şi bine într-un anumit montaj trebuie:

• să înmulţeşti curentul mediu cu tensiunea medie pe care tranzistorul trebuie să le suporte. Astfel obţii puterea electrică medie care se pierde pe tranzistor;
• să compari puterea electrică medie care se pierde pe tranzistor cu puterea tranzistorului luată din datasheet-ul acestuia. Dacă prima este mai mică decât ultima înseamnă că poţi folosi acel tranzistor fără grija în respectivul montaj. Dacă nu, mergi la risc.

Ce este SOA (Safe Operating Area) ?

Pentru a putea ţine mai uşor cont de puterea disipată atunci când tranzistorul trebuie să suporte simultan şi tensiune şi curent a fost introdus termenul de Safe Operating Area, prescurtat SOA. Acesta arată sub forma grafică, pentru un anumit tranzistor, valorile maxime ale intensităţii curentului prin tranzistor în funcţie de tensiunea aplicată la bornele acestuia. Ca să-ţi fie şi mai clar, îţi prezint în figura 1 graficul SOA pentru 2N3055, unul din cele mai cunoscute tranzistoare de putere.

Figura 1. Safe Operating Area (SOA) pentru un tranzistor 2N3055

Prima linie (notata cu dc) este limita sub care tranzistorul poate fi folosit în regim de lucru continuu. Celelalte linii (notate 1 ms, 500 us, 250 us etc.) reprezintă limitele până la care tranzistorul poate fi folosit dacă este folosit în regim de lucru în impulsuri; altfel spus, chiar dacă pentru scurt timp se depăşeşte puterea maximă suportată de tranzistor, dacă durata impulsului este suficient de mică, tranzistorul nu are timp să se încălzească periculos de tare.

Depăşirea SOA este probabil cea mai importantă cauza de defectare a tranzistoarelor de putere. În mod ideal, când construieşti sau repari un montaj care are ceva tranzistoare de putere, ar trebui mereu să verifici dacă modul de lucru nu forţeaza tranzistoarele respective dincolo de SOA-ul precizat în datasheet. Mai mult, cel mai indicat ar fi ca graficul SOA pe care-l iei ca referinţă să fie cel dat pentru regimul de lucru în curent continuu (linia dc din figura de mai sus) pentru că este cel mai sigur. În practică, din motive economice şi în funcţie de cât de mult se respectă cel care proiectează/construieşte/repară respectivul montaj, limita SOA nu este mereu strict respectată.

Acum nu mai trebuie să mergi orbeşte pe recomandările experţilor care spun sec cum că pentru aplicaţia X trebuie să foloseşti doar tipul Y de tranzistor. Dacă vei compara curenţii şi tensiunile din schema ta, cu SOA-ul din datasheet-ul unui anumit tranzistor, vei înţelege singur dacă tranzistorul Y va rezista în montajul tău. Bineînţeles, pentru a creşte SOA unui tranzistor poţi folosi două sau mai multe tranzistoare de acelaşi tip. Însă acest artificiu presupune unele mici modificări în schemă, fapt despre care voi vorbi în alt articol.

Dacă ţi-a plăcut acest articol, distribuie-l mai departe în grupul tău de prieteni !

Cu bine,

Ciprian