Poznajemy tranzystory – część 21

W poprzednim odcinku przedstawiłem ci garść informacji związanych z zamiennikami dotyczącymi elementów półprzewodnikowych. W najbliższych odcinkach przedstawie ci wszystkie informacje o tranzystorach polowych potrzebne współczesnemu elektronikowi−hobbyście.

W podręcznikach można znaleźć opisy co najmniej sześciu podstawowych rodzajów tranzystorów polowych – spójrz na rysunek 1.

Nie musisz wiedzieć szczegółowo, jak są zbudowane. Takie informacje znajdziesz w szkolnych podręcznikach. Ja chciałbym Ci przedstawić jedynie zasady działania, najważniejsze parametry oraz podstawowe układy pracy. Przekonasz się, że tranzystory polowe mają wiele zalet, a zasady ich stosowania są bardzo proste. Jestem absolutnie pewny, iż polubisz te pożyteczne i popularne elementy.

Nazwy

W literaturze tranzystor polowy określa się skrótem FET – Field Effect Transistor, dosłownie „tranzystor z efektem polowym”. Tranzystor polowy złączowy to JFET (J od junction – złącze). Drugi główny „gatunek” to tranzystory polowe z izolowaną bramką – MOSFET−y. MOS to skrót od Metal Oxide Semiconductor (metal−tlenek−półprzewodnik) wskazujący, że metalowa bramka izolowana jest (dwu)tlenkiem krzemu od półprzewodnikowego kanału wiodącego prąd.

A oto pierwsza dobra wiadomość: nie wszystkie spośród sześciu wspomnianych rodzajów są wykorzystywane w praktyce. Spotkasz tylko trzy:

1. złączowe z kanałem n (JFET N),

2. z izolowaną bramką, tzw. wzbogacane, z kanałem n (MOSFET N),

3. z izolowaną bramką, tzw. wzbogacane, z kanałem p (MOSFET P).

Na rysunku 2 znajdziesz symbole tych trzech rodzajów tranzystorów. Tylko te tranzystory musisz bliżej poznać i tylko te będziesz stosował. Natomiast MOSFET−y z kanałem zubożanym nie są dostępne na rynku. Zauważ, że symbole MOSFET−ów różnią się od tych z rysunku 1. Spotykane na rynku MOSFET−y mają trzy wyprowadzenia, a nie cztery.

Działanie

Fizyczne podstawy działania tranzystorów polowych są inne niż bipolarnych, niemniej jednak działanie jest podobne. Tranzystor polowy też ma trzy końcówki. Elektrodę sterującą, odpowiednik bazy, nazywamy bramką (ang. gate) i oznaczamy dużą literą G. W „zwykłym” tranzystorze bipolarnym prąd bazy steruje prądem kolektora. Czym większy prąd bazy, tym większy prąd płynie w obwodzie kolektor−emiter. W tranzystorze polowym prąd sterowany płynie w obwodzie dren – źródło (D – drain, odpowiednik kolektora, S – source, odpowiednik emitera). Co najważniejsze, wszystkie tranzystory polowe są sterowane napięciowo.

To znaczy, że w normalnych warunkach w obwodzie bramki nie płynie prąd. Tranzystor jest otwierany i zamykany pod wpływem napięcia między bramką a źródłem (oznaczanego U_GS). Jeśli w obwodzie bramki prąd nie płynie, oznacza to, że rezystancja wejściowa wszelkich tranzystorów polowych jest bardzo, bardzo duża, zdecydowanie większa niż bipolarnych, nawet pracujących w roli wtórników emiterowych. I to jest jedna z głównych zalet wszelkich „polówek”.

Tranzystory polowe złączowe

Praktycznie wszystkie spotykane dziś tranzystory polowe złączowe, w skrócie JFET (lub J− FET) mają kanał typu n (istnieją też złączowe „polówki” z kanałem p, jednak są używane bardzo rzadko, możesz o nich zapomnieć). Znane od lat są tranzystory o oznaczeniach BF245 (były produkowane w kraju), BF246, BF247.

Być może na zasadzie analogii z tranzystorem bipolarnym intuicja podpowiada ci, że przy zerowym napięciu bramka−źródło (U_GS) tranzystor polowy jest zatkany, a otwiera się przy zwiększaniu tego napięcia.

Tym razem intuicja cię zawiodła. JFET−y to dziwaki. Zapamiętaj raz na zawsze, że TRANZYSTORY ZŁĄCZOWE PRZY ZEROWYM NAPIĘCIU SĄ OTWARTE – PRZEWODZĄ (podobnie MOSFET−y z kanałem zubożanym) Aby je zatkać, trzeba między źródło a bramkę podać napięcie ujemne. Ilustruje to rysunek 3.

Gdybyś natomiast na bramkę JFET−a podał napięcie dodatnie względem źródła, to w obwodzie bramka−źródło zacznie płynąć prąd. Taki tryb pracy nie jest wykorzystywany w praktyce, dlatego rysunek 3c jest przekreślony. Tranzystor będzie się wtedy zachowywał tak, jakby między źródłem a bramką była włączona dioda. Wskazuje zresztą na to strzałka w obwodzie bramki. Rzeczywiście, jak wskazuje nazwa, tranzystory JFET posiadają złącze (diodowe), które podczas normalnej pracy jest spolaryzowane wstecznie − prąd wtedy nie płynie, a oporność wejściowa jest bardzo duża. Ilustruje to rysunek 4, gdzie obrazowo przedstawiono tranzystor JFET jako złożenie diody i rezystora.

Nie jest to wyobrażenie błędne – tranzystor polowy w pierwszym przybliżeniu rzeczywiście można sobie wyobrazić jako rezystor sterowany napięciem.

Podstawowe parametry

W zasadzie nie musisz znać szczegółowych charakterystyk tranzystorów polowych złączowych. Będziesz je stosował bardzo rzadko. W razie potrzeby wykorzystasz gotowy schemat z literatury albo jeden z układów podanych w dalszej części artykułu.

Proponuję jednak, żebyś przeanalizował charakterystyki popularnego tranzystora polowego BF245, pokazane na poniższych rysunkach.

Rysunek 5 pokazuje charakterystykę wyjściową.

Natomiast rysunek 6 charakterystyki przejściowe.

Zwróć uwagę, że przy napięciach dren−źródło większych od 5 V prąd drenu praktycznie nie zależy od napięcia drenu − charakterystyka na rysunku 5a przebiega poziomo. Jeśli przy zmianach napięcia prąd się zmienia bardzo mało, to znaczy, że obwód drenu ma właściwości źródła prądowego – ma bardzo dużą rezystancję dynamiczną, podobnie jak obwód kolektorowy zwykłego tranzystora.

Natomiast w zakresie bardzo małych napięć dren−źródło, rzędu ±20 mV (czyli także dla małych napięć zmiennych), nachylenie zależy od napięcia U_GS – pokazuje to w powiększeniu rysunek 5b. A to nachylenie to nic innego jak… rezystancja. To znaczy, że dla małych sygnałów zmiennych obwód dren−źródło jest opornikiem o rezystancji zależnej od napięcia U_GS. Rysunek 7 pokazuje tłumik sygnałów audio sterowany napięciem stałym U_reg.

Polowe tranzystory złączowe bywają używane w obwodach, gdzie trzeba napięciowo regulować poziom niewielkich sygnałów zmiennych. Ponieważ zakres liniowej pracy „gołego” tranzystora jest niewielki (±10…±20 mV), w praktyce zamiast prostego regulatora wg rysunku 7b stosuje się ulepszony układ ze sprzężeniem zwrotnym, pokazany na rysunku 7c, który umożliwia pracę z napięciami rzędu ±50 mV, a nawet więcej (jednak czym większe napięcie, tym większe zniekształcenia nieliniowe). Ze względu na niedoskonałości tłumiki z FET−ami są obecnie skutecznie wypierane przez bardziej złożone regulatory scalone, w tym potencjometry elektroniczne.

Znacznie ważniejsze jest jednak, byś zrozumiał znaczenie charakterystyki z rysunku 6. W przypadku zwykłych, bipolarnych tranzystorów poszczególne egzemplarze różniły się przede wszystkim wartością wzmocnienia prądowego, natomiast napięcie baza−emiter, potrzebne do otwarcia tranzystora we wszystkich tranzystorach, jest praktycznie takie samo. Zupełnie inaczej jest w przypadku omawianych tranzystorów polowych. Tu napięcie, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać, bardzo różni się dla poszczególnych egzemplarzy − zwróć uwagę, że na rysunku 6b zaznaczyłem kolorem czarnym typowe charakterystyki przejściowe tranzystorów BF245 z grup A, B, C oraz kolorem czerwonym charakterystyki jakichś pięciu konkretnych egzemplarzy tranzystorów JFET. Poszczególne egzemplarze różnią się zarówno napięciem U_GS0, przy którym zaczyna płynąć prąd, prądem drenu I_DSS (przy zerowym napięciu U_GS), jak też nachyleniem charakterystyki.

Jednym z podstawowych parametrów tranzystora polowego złączowego jest napięcie bramka−źródło, przy którym zaczyna się on otwierać. To napięcie progu otwierania (napięcie odcięcia) oznaczane jest w katalogach U_GS0 i dla spotykanych na rynku tranzystorów JFET wynosi: –10 V…−0,5 V. Napięcie to można bardzo łatwo zmierzyć w układzie z rysunku 8.

Drugim istotnym parametrem tranzystorów złączowych jest prąd nasycenia drenu przy zerowym napięciu U_GS, czyli przy maksymalnym otwarciu tranzystora, oznaczany I_DSS. Jak widać z rysunku 6, również tu rozrzut między egzemplarzami jest duży.

Prąd nasycenia danego egzemplarza można zmierzyć w układzie według rysunku 9a, ale można także wg rysunku 9b.

Różnica w układach pomiarowych z rysunków 8 i 9b polega na tym, że woltomierz ma bardzo dużą rezystancję wewnętrzną, np. 10 MΩ, a płynący przezeń prąd jest bardzo mały, natomiast amperomierz ma mały, bliski zeru opór wewnętrzny, wobec czego źródło tranzystora jest praktycznie zwarte do masy (i nadal jest to układ z rysunku 3b). W praktyce znaczy to, że w tym samym układzie pomiarowym można zmierzyć oba kluczowe parametry JFET−a przełączając multimetr.

Rysunek 10 pomoże ci w przypadku, gdybyś koniecznie chciał sprawdzać takie tranzystory za pomocą omomierza.

Jak widzisz, miedzy drenem a źródłem oporność jest w obu kierunkach mała, natomiast między bramką a drenem lub źródłem masz zwyczajną diodę, która przewodzi w jednym kierunku. Nie radzę ci jednak sprawdzać złączowych polówek w ten sposób. Są to delikatne tranzystory i ładunki statyczne mogą je uszkodzić właśnie podczas takich prób. Złą sławą pod tym względem cieszyły się popularne BF245 krajowej produkcji. Przy nieostrożnym obchodzeniu się z nimi nawet połowa potrafiła się uszkodzić jeszcze przed wlutowaniem w układ. Przy wszelkich kontaktach z małymi polówkami zachowaj ostrożność: połóż na blacie stołu metalową uziemioną blachę, co jakiś czas dotykaj rury wodociągowej (uziemienia), żeby rozładować swe ciało; nie zaszkodziłoby też uziemienie grota lutownicy.

Zwróć jeszcze uwagę na nachylenie charakterystyki przejściowej z rysunku 6. Wcześniej dowiedziałeś się, że nachylenie charakterystyki z rysunku 5 to jakiś rodzaj oporu – przecież na jednej osi miałeś napięcie dren−źródło, na drugiej prąd drenu. Stosunek napięcia do prądu to rezystancja – w tym wypadku jest to rezystancja wyjściowa lub inaczej rezystancja wewnętrzna tranzystora. Na rysunku 6 na jednej osi masz prąd drenu, na drugiej napięcie bramka− źródło. Czy można tu mówić o jakimś wzmocnieniu? W tranzystorze bipolarnym mamy zrozumiały parametr − wzmocnienie prądowe, czyli stosunek prądu kolektora do prądu bazy. A tu? Stosunek prądu do napięcia…

Zastanów się…

Zauważ, że nachylenie określa przyrost prądu drenu pod wpływem przyrostu napięcia sterującego U_GS. To nachylenie jest więc odpowiednikiem wzmocnienia prądowego ze zwykłych tranzystorów. Jednak nie nazywamy tego ani wzmocnieniem, ani czułością – jest to tak zwana (nie bój się!) TRANSKONDUKTANCJA. Transkonduktancja wyrażana jest w miliamperach na wolt (mA/V) lub w amperach na wolt (A/V), czyli w milisimensach (mS) lub simensach (S). A że simens to odwrotność oma (ohm), w literaturze często zamiast mA/V, mS czy S spotkasz dowcipny skrót mmho lub mho. Ogólnie biorąc, czym większa wartość transkonduktancji i wyższe napięcie odcięcia U_GSO, tym lepszy tranzystor.

W katalogach znajdziesz wartości transkonduktancji tranzystorów. Słusznie się domyślasz, że występuje tu duży rozrzut pomiędzy egzemplarzami, nawet pochodzącymi z tej samej serii produkcyjnej. Zresztą często tranzystory JFET dzielone są na grupy, różniące się wartościami napięcia odcięcia i prądu nasycenia drenu. Przykładem jest popularny niegdyś BF245. Tranzystory są selekcjonowane pod względem prądu I_DSS:

BF245A: 2…6,5mA
BF245B: 6…15mA
BF245C: 12…25mA.

W katalogach znajdziesz też maksymalne napięcie dren−źródło, maksymalną moc strat, nie ma natomiast dopuszczalnego prądu drenu. Jeśli jeszcze tego nie zauważyłeś, zauważ teraz – w polówkach złączowych nie można dowolnie zwiększyć prądu drenu. Jest on ograniczony i przy zwarciu bramki ze źródłem (U_GS=0) przyjmuje maksymalną wartość równą I_DSS. Nie możesz go zwiększyć, bo podając dodatnie napięcie na bramkę spowodowałbyś przepływ prądu bramki i straciłbyś zalety tego tranzystora.

Jak wskazuje rysunek 6, w trakcie normalnej pracy napięcie bramka−źródło powinno być ujemne lub co najwyżej równe zeru. Może to ci się wydać dużym utrudnieniem, bo niby skąd wziąć w prostym układzie, zasilanym z baterii, ujemne napięcie. Stop, nie tak szybko, znów intuicja cię zwiodła. A kto mówi, że potrzebne jest ujemne napięcie zasilania?

Zamiast obniżać napięcie bramki, można przecież podwyższyć napięcie źródła, jak pokazuje rysunek 11a.

Nie trzeba też stosować dodatkowego źródła – można sprytnie wykorzystać spadek napięcia na rezystorze, jak pokazuje rysunek 11b. Wartość tego rezystora (0…10 kΩ) wyznacza prąd płynący przez tranzystor. Taki sposób (auto)polaryzacji znany jest od wielu lat, kiedyś powszechnie stosowany był w układach lampowych. Przy okazji wyszło na jaw, że tranzystory polowe złączowe z kanałem n mają podobne właściwości jak lampy próżniowe (triody).

Tranzystory polowe także mogą pracować w układach ze wspólnym źródłem, wspólnym drenem i wspólną bramką, analogicznie jak zwykłe tranzystory pracują w układach ze wspólnym emiterem, wspólnym kolektorem i wspólną bazą – spójrz na rysunek 12.

Nie będziemy wgłębiać się w szczegóły, ponieważ nigdy ci się to nie przyda. W praktyce bywają wykorzystywane proste układy z rysunku 13: źródło prądowe oraz wtórniki mające bardzo dużą rezystancję wejściową.

Rezystancja wejściowa układów jest równa rezystancji R1. R1 może mieć wartość od 1 kΩ…100 MΩ.

Szczególnie dobre właściwości (szerokie pasmo, jednakowe napięcie stałe na wejściu i wyjściu, stabilność cieplna) ma wtórnik z rysunku 13d pod warunkiem zastosowania dwóch identycznych tranzystorów. Takie elementy, zawierające w jednej obudowie dwa bliźniacze tranzystory FET są dostępne. Prawie każdy oscyloskop ma na wejściu taki wtórnik.

I jeszcze jedna ważna uwaga − ze względu na swą specyficzną budowę, w tranzystorach złączowych można bezkarnie zamieniać miejscami końcówki drenu i źródła – właściwości układu będą takie same.

Tyle o tranzystorach polowych złączowych.

A kolejny odcinek znajdziesz tutaj.

Piotr Górecki