Poznajemy tranzystory – część 22

W poprzednim odcinku podane były niezbędne dla każdego elektronika−hobbysty informacje o tranzystorach polowych złączowych. W dwóch najbliższych odcinkach zamieszczono wszystkie wiadomości potrzebne do praktycznego wykorzystania tranzystorów MOSFET.

Zapoznałeś się już z JFET−ami, jednak jak wspominałem, obecnie straciły one popularność i są rzadko wykorzystywane. Również i ty nieporównanie częściej będziesz używał MOSFET−ów, niż JFET−ów. I mam dobre wiadomości – ze zrozumieniem działania MOSFET−a nie będziesz miał żadnych kłopotów, a ich stosowanie okazuje się znacznie prostsze niż „zwykłych” tranzystorów bipolarnych. Są to naprawdę bardzo przydatne elementy i warto je stosować, gdzie to tylko możliwe.

Na dobry początek zapomnij o MOSFET−ach z kanałem zubożonym (depletion mode). MOSFET−y z kanałem zubożonym przypominają parametrami JFET−y: przy zwarciu bramki ze źródłem są otwarte, żeby je zamknąć, trzeba na bramkę podać napięcie, powiedzmy, ujemne. Takich tranzystorów praktycznie nie spotkasz.

W praktyce spotyka się tylko tranzystory MOSFET z kanałem wzbogaconym (enhacement mode). Te typowe MOSFET−y działają podobnie, jak znane ci tranzystory bipolarne. Gdy bramka jest zwarta do źródła − tranzystor nie przewodzi, gdy na bramkę zostanie podane napięcie o „właściwej” polaryzacji – przewodzi. Co ważne, to napięcie nie jest jakieś tam ujemne, jak w JFET−ach. Nic się jednak nie stanie, gdy spolaryzujemy bramkę napięciem odwrotnym – po prostu tranzystor dalej będzie zatkany. Podstawowe układy pracy MOSFET−ów z kanałem n i p zobaczysz na rysunku 1.

Tym razem w obwodzie bramki nie ma żadnej diody. Bramka jest odizolowana od przewodzącego prąd kanału za pomocą dwutlenku krzemu (oznacza to przy okazji, że między bramką a kanałem tworzy się kondensator). Obwód bramki nie pobiera więc prądu. Mamy do czynienia ze sterowaniem napięciowym. MOSFET jest bardzo szybki – zmiana napięcia na bramce powodują zmianę prądu w ciągu niewielu nanosekund.

Podstawowe właściwości

Najważniejszymi parametrami MOSFET−a są:
➤ dopuszczalne napięcie dren-źródło, oznaczane U_DSmax
➤ maksymalny prąd drenu I_Dmax
➤ napięcie progowe otwierania, oznaczane U_GSth
➤ rezystancja między drenem a źródłem w stanie (całkowitego) otwarcia R_DSon lub R_DS(on)

Sens pierwszego parametru jest oczywisty. Zbyt duże napięcie dren−źródło spowoduje przebicie i nieodwracalne uszkodzenie tranzystora. Drugi parametr też nie budzi wątpliwości – przy zbyt dużym prądzie w tranzystorze przepaleniu może ulec nie tylko struktura, ale i wewnętrzne połączenia. Trzeba tylko pamiętać, iż w katalogu obok maksymalnego ciągłego prądu drenu podaje się też znacznie większy prąd szczytowy (impulsowy).

Trzeci parametr również jest łatwy do zrozumienia. U_GSth (gdzie th pochodzi od threshold – próg) to napięcie bramka−źródło, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać, a konkretnie, gdy prąd drenu ma wartość 1 mA. Można przyjąć, że przy napięciach bramki mniejszych niż U_GSth tranzystor jest całkowicie zatkany – prąd drenu nie płynie, a rezystancja między drenem a źródłem − R_DS − jest ogromna (wiele megaomów). Przy zwiększaniu napięcia powyżej U_GSth tranzystor otwiera się coraz bardziej, a rezystancja R_DS maleje. Nie można jej jednak zmniejszyć do zera, a jedynie do wartości rzędu ułamków oma lub pojedynczych omów. I to jest właśnie czwarty parametr: najmniejsza rezystancja w pełni otwartego tranzystora. Podaną w katalogu małą rezystancję R_DSon uzyskuje się przy napięciu bramki (U_GS), równym zazwyczaj 10 V. Zwiększenie napięcia U_GS do 15 V nie zaszkodzi, ale i nie zmniejszy już znacząco rezystancji R_Dson. Tu na marginesie ważna informacja − ZAKRES DOPUSZCZALNYCH NAPIĘĆ U_GS WYNOSI DLA PRAKTYCZNIE WSZYSTKICH MOSFET−ÓW ±15…±20 V.

Zapamiętaj to!

W każdym razie nawet przy pełnym otwarciu (podaniu na bramkę znacznego napięcia), między drenem a źródłem występuje jakaś niewielka rezystancja. Przy przepływie prądu spowoduje ona powstanie spadku napięcia na tranzystorze, a także nieuniknione straty mocy. Rezystancja R_DSon jest więc w pewnym sensie odpowiednikiem napięcia nasycenia, znanego z tranzystorów bipolarnych.

Oczywiście ideałem byłby tranzystor MOSFET o jak największym napięciu U_DSmax i jak najmniejszej rezystancji R_DSon. Niestety, rezystancja R_Dson jest zdecydowanie większa w tranzystorach o wyższym dopuszczalnym napięciu U_DSmax. W praktyce oznacza to, że nie warto stosować MOSFET−ów z większym niż to konieczne napięciem U_Dsmax.

Oto przykład. Jeśli przez w pełni otwarty tranzystor BUZ11 popłynie ciągły prąd o wartości 5 A, to napięcie U_DS. wyniesie typowo tylko:

U_DS = 0,04 Ω × 5 A = 200 mV
Straty mocy wyniosą zaledwie:
P = 200 mV × 5 A = 1 W

Jak wiadomo, tranzystor w obudowie TO−220 bez radiatora może rozproszyć: 1…1,5 W mocy strat. Żaden radiator nie jest więc potrzebny. Jeśli jednak przy takim samym prądzie miałby pracować tranzystor BUZ60 (400 V, 5,5 A, 1 Ω), wtedy spadek napięcia wyniesie  5 A × 1 Ω = 5 V, a straty mocy aż 25 W. Tu potrzebny będzie solidny radiator.

Zapamiętaj też raz na zawsze, iż tranzystory z kanałem p mają większą rezystancję R_DSon, niż podobne z kanałem n (między innymi dlatego są zdecydowanie rzadziej stosowane). Poniższy rysunek 2 przedstawia tabelę w której znajdziesz podstawowe parametry kilku popularnych tranzystorów mocy w obudowach TO−220.

Natomiast poniższy rysunek 3 przedstawia tabelę w której znajdziesz podstawowe parametry kilku popularnych tranzystorów małej mocy w obudowie TO−92. Zwróć uwagę na zależność R_DSon i U_Dsmax.

Charakterystyki

W katalogach występuje wiele parametrów i charakterystyk. Nie wszystkie są dla ciebie jednakowo ważne. Na rysunku 4 znajdziesz skopiowaną z katalogu charakterystykę wyjściową popularnego MOSFET−a N mocy typu BUZ11.

Linią przerywaną zaznaczono tzw. hiperbolę mocy, pokazującą dopuszczalną moc strat. Przebieg krzywych (poziome odcinki) wskazuje, że również MOSFET przy mniejszych prądach może być użyty do budowy źródeł prądowych.

Nie jest to jednak najważniejsza charakterystyka. Znacznie istotniejszy jest typowy przebieg charakterystyki przejściowej, pokazany na rysunku 5.

Słusznie się domyślasz, że kluczowe znaczenie ma wartość napięcia progowego, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać (gdy prąd ma „standardową” wartość 1 mA). Analogicznie jak w JFET−ach, napięcie to nie jest ściśle określone. Występuje nie tylko znaczny rozrzut między egzemplarzami, ale także daje się zauważyć znaczny wpływ temperatury.

Rysunek 6 wskazuje, że napięcie progowe tranzystora BUZ11 może wynosić w skrajnych przypadkach: 1,5…4,5 V.

Analogiczne charakterystyki bardzo popularnego małego tranzystora BS170 pokazane są na rysunku 7. Tu napięcie progowe może wynosić: 0,5…2,4 V.

Teraz bardzo uważaj! Choć tranzystor MOSFET zaczyna się otwierać przy jakimś napięciu U_GSth, to jednak do pełnego otwarcia jest wymagane napięcie znacząco większe niż U_GSth. Niektóre tranzystory potrzebują trochę więcej napięcia U_GS, by prąd wzrósł np. o 1 A, inne trochę mniej. Oczywiście nie nazywamy tego czułością, tylko KONDUKTANCJĄ PRZEJŚCIOWĄ. W katalogach podaje się wartość konduktancji przejściowej, ale nie jest to parametr najistotniejszy. Ponieważ MOSFET−y najczęściej pracują dwustanowo, jako przełączniki – zatkany/otwarty, ważniejsza jest informacja, jakie napięcie jest wymagane, żeby go w pełni otworzyć. Jeśli na przykład jakiś egzemplarz BUZ11 będzie miał napięcie progowe 4 V, to do jego pełnego otwarcia nie wystarczy napięcie 5 V, typowe dla wielu układów cyfrowych. Na pewno wystarczy 9 V, a przy 12 V rezystancja R_DS może nawet być nieco mniejsza niż podana w katalogu R_DSon. W przypadku tranzystorów małej mocy, np. BS170, nie ma tego problemu, bo napięcie U_GSth nie przekracza 2,4 V.

Wniosek jest prosty: napięcie 5 V jest za małe do pełnego otwarcia niektórych egzemplarzy MOSFET−ów mocy. Jeśli nie ma możliwości zwiększenia napięcia sterującego podawanego na bramkę, należy sprawdzić, czy dany egzemplarz wystarczająco otworzy się przy napięciu bramki równym 5 V. Inną możliwością jest zastosowanie specjalnych MOSFET−ów z obniżonym napięciem progowym, które na pewno całkowicie się otworzą przy napięciu bramki równym 5 V.

Przykładowo, obok tranzystorów BUZ10 produkowane są tranzystory BUZ10L o napięciu U_GSth w zakresie: 1,5…2,5 V (podobnie BUZ11AL).

Nie tłumaczę Ci tutaj problemów odprowadzania ciepła i stosowania radiatorów. Zależności są identyczne jak w zwykłych tranzystorach i układach scalonych; w katalogu znajdziesz wartość rezystancji termicznej R_thjc oraz wykresy przedstawiające zależność mocy traconej i prądu drenu od temperatury. Temat rezystancji cieplnych i radiatorów był wyczerpująco omówiony w poprzednich kilku odcinkach.

Wypadałoby jeszcze wspomnieć o pewnej właściwości, która odróżnia MOSFET−y od tranzystorów bipolarnych. W bipolarnych wzrost temperatury powoduje zwiększanie prądu kolektora, co na przykład uniemożliwia bezpośrednie połączenie równoległe kilku tranzystorów (potrzebne są rezystory wyrównawcze w emiterze – bez nich przy dużym obciążeniu poszczególne tranzystory będą się przepalać po kolei). W całkowicie otwartych MOSFET−ach rezystancja rośnie wraz z temperaturą – ilustruje to rysunek 8.

W sumie oznacza to, że można bezpośrednio łączyć równolegle kilka podobnych MOSFET−ów, ale ze względu na rozrzut napięcia U_GSth nie w układach liniowych, tylko w przełączających, gdzie na bramki podawane jest znaczne napięcie otwierające je całkowicie. W praktyce nie będziesz łączył MOSFETów ani równolegle, ani szeregowo – spośród przebogatej oferty wybierzesz od razu tranzystor o potrzebnym ci prądzie i napięciu.

Na razie niewiele mówi ci też informacja, że w MOSFET−ach nie występuje zjawisko tzw. drugiego przebicia (second breakdown). Wiedz jednak, że dzięki temu MOSFET−y są bardziej odporne na niesprzyjające warunki pracy i trudniej je zepsuć. Dotyczy to na przykład stopni wyjściowych wzmacniaczy mocy audio.

Tyle w tym odcinku. Na pewno podobają ci się MOSFET−y i zdecydowany jesteś je często stosować.

Słusznie!

Powinieneś jednak wiedzieć, że MOSFET−y także mają swoje wady. Omówimy je w ostatnim odcinku cyklu.

Piotr Górecki