Bipolar kontra MOSFET - który jest lepszy i dlaczego

Z dużym prawdopodobieństwem mogę założyć, że nie. Przynajmniej do momentu, kiedy któryś z nich odmówił współpracy i z serwisu wrócił z odpowiednią notką, że jest to taki to a taki wzmacniacz (jeśli był to profesjonalny serwis, a nie przydomowy warsztat szwagra Edka).

W sumie, ktoś powie, co mnie obchodzi, jakie tranzystory pracują w moim wzmacniaczu, ważne że w ogóle są i działają tak, jak powinny. Owszem, nie jest to może najistotniejsza rzecz, o której powinniśmy wiedzieć, ale - jak się za chwilę okaże - nie bez znaczenia na efekt finalny ich pracy pozostaje fakt czy stopnie końcowe naszych "końcówek" to MOSFETy, czy "bipolary". Wspominałem o tym już dość ogólnikowo w artykule o wzmacniaczach mocy, ale teraz zajmiemy się tym tematem nieco dokładniej.

O WYŻSZOŚCI ŚWIĄT BOŻEGO NARODZENIA NAD WIELKANOCĄ

Dyskusja na ten temat przypomina przysłowiową debatę "O wyższości Świąt Bożego Narodzenia nad Wielkanocą" albo - bliższej może nieco naszej tematyce - co jest lepsze: lampa czy tranzystor. Od momentu, kiedy na rynku pojawiły się pierwsze wzmacniacze MOSFETowe, czyli od końcówki lat 70. ubiegłego stulecia, kiedy to firma Hitachi zaprezentowała tranzystor mocy MOSFET do zastosowań w aplikacjach audio, jedno i drugie rozwiązanie ma zarówno zagorzałych zwolenników, jak i przeciwników.

Nagromadziło się też przez te lata mnóstwo twierdzeń i mitów - część prawdziwych, a część faktycznie pozostających w sferze mitów - na temat zalet i wad jednych i drugich. Postaram się w tym artykule rozprawić się z nimi i powiedzieć, co faktycznie jest prawdą, a co zwykłą "bujdą na resorach".

Na początek garść teorii (naprawdę tylko kilka elementarnych informacji) na temat, co to są tranzystory i czym różnią się elementy bipolarne od MOSFETowych.

TRANZYSTORY BIPOLARNE

Zaczniemy od nich, bo historycznie pojawiły się wcześniej. Cechą charakterystyczną tranzystorów bipolarnych jest ich zdolność do dostarczania ogromnej ilości prądu do obciążenia. Elementy tego typu mają trzy złącza - Kolektor, Emiter i Bramkę. Główny przepływ prądu (użyteczny) przebiega między Emiterem a Kolektorem, jednak między Bazą a Kolektorem również płynie prąd, i to, w przypadku tranzystorów mocy, całkiem spory. Z tego powodu układy sterujące stopniem końcowym wymagają dodatkowego chłodzenia (tj. dodatkowych radiatorów), gdyż Baza każdego z tranzystorów w stopniu końcowym sterowana jest prądem, a nie napięciem, co powoduje ich grzanie się.

We wzmacniaczach MOSFET też spotkamy się z układami sterującymi stopniem końcowym, jednak nie są one tak bardzo przez nie obciążane, jak w układach z tranzystorami bipolarnymi, gdyż tranzystory MOSFET są sterowane napięciowo, a nie prądowo. Bipolary charakteryzują się również dodatnim (pozytywnym) współczynnikiem temperaturowym. Co to oznacza?

Dokładnie to, że wraz ze wzrostem temperatury (a wiadomo, że podczas pracy elementy te grzeją się nielicho) zmniejsza się wartość rezystancji wewnętrznej, co z kolei powoduje wzrost wartości przepływającego przezeń prądu i jeszcze większe grzanie się. I tak koło się zamyka, prowadząc - bez odpowiedniego zabezpieczenia - do autodestrukcji elementu z powodu przegrzania (spalenia) się. To jednak dopiero początek ewentualnych problemów.

Jeśli tranzystor przegrzeje się i - mówiąc kolokwialnie - spali, staje się najzwyklejszym zwarciem, co skutkuje dołączeniem wyjścia bezpośrednio do zasilania. Co się wtedy dzieje, nietrudno chyba sobie wyobrazić - zestawy głośnikowe podłączone do tego wyjścia przechodzą do historii! Mało tego - ponieważ trudno znaleźć dwa identyczne tranzystory, nawet drobne różnice w  parametrach sprawią, że jeden z nich (ten "mocniejszy") będzie chciał "zawładnąć" obciążeniem i sam wykonać całą robotę.

Aby zabezpieczyć tranzystory przed tymi niekorzystnymi dla nich efektami stosuje się rezystory emiterowe, pomagające wyrównać podział prądu docierającego do obciążenia. Oczywiście, zabezpieczenia przed pojawieniem się napięcia stałego na wyjściu (a więc po to m. in., żeby zapobiegać nieprzyjemnym sytuacjom opisanym powyżej) to obecnie standard we wzmacniaczach, jednak nie zawsze są one na tyle szybkie, aby na czas zabezpieczyć urządzenia podłączone na wyjścia przed katastrofą.

MOSFET

Jak wcześniej wspomniałem, tranzystory MOSFET w aplikacjach audio pojawiły się pod koniec lat 70. ubiegłego wieku. Tego typu elementy, podobnie jak "zwykłe" tranzystory, mają trzy złącza, nazwane Źródło, Bramka i Dren. W największym uproszczeniu pracę tranzystorów MOSFETowych można opisać analogicznie do działania zaworu hydraulicznego.

Jeśli podamy napięcie na Bramkę, "zawór" zostaje otwarty - proporcjonalnie do wartości tegoż napięcia - i pozwala prądowi przepływać między Źródłem a Drenem. We wczesnych rozwiązaniach tranzystorów MOSFET problemem była impedancja wewnętrzna między Źródłem a Drenem, co w znacznym stopniu rzutowało na możliwość uzyskania odpowiednio dużych wartości Współczynnika Tłumienia, czyli Damping Factor.

I choć z biegiem czasu poradzono sobie z tym problemem, w myśl powiedzenia "wystarczy chwila, aby wywołać dobre wrażenie, ale całe życie, aby zmazać złe", łatka wzmacniacza nie nadającego się do pracy np. z subbasami pozostała. MOSFETy mają jednak coś, czego "pozazdrościć" im mogą tranzystory bipolarne - ujemny (negatywny) współczynnik temperaturowy.

Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury rezystancja wewnętrzna elementu rośnie, ograniczając w ten sposób wartość przepływającego przezeń prądu. Dzięki temu wzmacniacze mocy zbudowane w oparciu o MOSFETowe tranzystory mocy z natury są stabilne temperaturowo, bez konieczności stosowania dodatkowych układów stabilizujących.

W przypadku uszkodzenia tranzystora MOSFET przeważnie pozostaje on w stanie rozwarcia, tak więc jest małe prawdopodobieństwo uszkodzenia głośników w przypadku "awarii" stopnia wyjściowego wzmacniacza. Nie ma więc konieczności stosowania zabezpieczenia przeciwko pojawieniu się na wyjściu składowej stałej oraz termicznego - przynajmniej w teorii.

Nie zyskamy natomiast na kosztach i miejscu na płytce drukowanej - w przypadku użycia MOSFETów nie obejdziemy się bez dużego (fizycznie) rezystora źródłowego (podobnie jak to ma miejsce w przypadku rezystorów emiterowych w układach z tranzystorami bipolarnymi).

Natomiast to, czym MOSFETy biją na głowę bipolary, to znacznie wyższy slew rate. Te pierwsze są bowiem bardzo szybkie, ich prędkość przełączania prądów rzędu nawet kilku amperów jest na poziomie pojedynczych nanosekund. To sprawia, że są one około 3,3 razy szybsze od bipolarów. Spróbujcie posłuchać, jak brzmi wzmacniacz na MOSFETach w porównaniu z tradycyjnym "bipolarnym", przy odtwarzaniu najwyższych częstotliwości - zauważycie, że pierwsze różnią się znacząco od tych drugich o wiele bardziej, wręcz nienaturalnie klarownym brzmieniem pasma HF.

Konkludując - wzmacniacze MOSFETowe nie "mają się czego wstydzić" w porównaniu z bipolarnymi braćmi, wprost przeciwnie, mają więcej plusów w stosunku do nich. Jednym z największych minusów jest natomiast cena - wzmacniacze MOSFETowe potrafią być nawet 3 razy droższe od "tradycyjnych" wzmacniaczy o tej samej mocy.

Nie ma więc żadnych podstaw, żeby twierdzić, iż wzmacniacze MOSFETowe są dobre przy pędzeniu głośników wysokotonowych, a bipolarne - subów. Fakt, że wydajność prądowa "tradycyjnych" tranzystorów jest wciąż nie do pobicia przez MOSFETy, a z kolei slew rate tych drugich w dalszym ciągu jest nie do doskoczenia dla bipolarów, jednak we współczesnych konstrukcjach tak jedne, jak i drugie dobrze sobie poradzą zarówno z odtwarzaniem wysokich, jak i niskich częstotliwości.

Co nie zmienia faktu, że gdyby cenowo były zbliżone, wzmacniacze MOSFETowe miałyby więcej do pochwalenia się od tych z tranzystorami bipolarnymi.

Piotr Sadłoń

Piotr Sadłoń jest Redaktorem Naczelnym Live Sound Polska. Kontakt: sadlon@livesound.pl.