Poznajemy tranzystory – część 23

W poprzednim odcinku podałem ci zalety tranzystorów MOSFET. W niniejszym odcinku podane są informacje na temat specyficznych cech tranzystorów MOSFET, które trzeba znać i uwzględniać w niektórych zastosowaniach. Wiadomości te są niezbędne każdemu elektronikowi do prawidłowego wykorzystania tych pożytecznych elementów.

Prawdopodobnie jesteś zachwycony właściwościami MOSFET−ów, omówionych w poprzednim odcinku. Rzeczywiście, do wielu zastosowań są to wymarzone tranzystory, zdecydowanie lepsze niż zwykłe tranzystory bipolarne. Ale nie myśl, że MOSFET−y to elementy idealne. Muszę ci zwrócić uwagę na dwie istotne cechy, które często dają o sobie znać, i to w bolesny sposób.

Pojemności

Po pierwsze chodzi o pojemności, a zwłaszcza pojemność między bramką a pozostałymi elektrodami – spójrz na rysunek 1. W MOSFET−ach mocy pojemności te są rzędu 1 nF. Czy ten jeden nanofarad to znikoma pojemność i nie ma się czym przejmować? Wprost przeciwnie!

Wiesz, że MOSFET−y często pracują w układach impulsowych przy częstotliwościach rzędu dziesiątek, a nawet setek kiloherców. Cieszyłeś się, że obwód bramki nie pobiera prądu – słusznie, ale dotyczy to tylko pracy statycznej. Przeanalizujmy teraz, co dzieje się w układzie z rysunku 2a, gdzie przy częstotliwości 100 kHz bramka tranzystora sterowana jest przez rezystor R1 o dużej wartości 100 kΩ. Jeśli w obwodzie bramki nie płynie prąd, to chyba obecność tego rezystora nie powinna przeszkadzać… Widzisz problem?

Rezystancja R1 z pojemnością bramka− źródło tranzystora daje stałą czasową rzędu 100 μs (100 kΩ × 1 nF) i tworzy filtr – obwód uśredniający. W rzeczywistości jest jeszcze gorzej ze względu na tzw. zjawisko Millera i pojemność dren−bramka, ale nie wchodźmy w szczegóły.

Okazuje się, że przy wąskich impulsach o częstotliwości 100 kHz, czemu odpowiada okres 10 μs, tranzystor w ogóle nie zdoła się otworzyć, bo w czasie impulsu dodatniego napięcie na bramce nie zdoła wzrosnąć powyżej progu włączania tranzystora (linie ciągłe na rysunku 2b). Gdyby impulsy miały wypełnienie 50%, na bramce panowałoby napięcie stałe rzędu 4,5 V, a więc tranzystor byłby ciągle otwarty (linie przerywane na rysunku 2b).

Koniecznie trzeba zmniejszyć wartość R1. Zmniejszyć, by przebiegi wyglądały przynajmniej jak na rysunku 3a, a najlepiej całkowicie usunąć, by wyglądały jak na rysunku 3b.

Przecież w pojemności bramkowej MOSFET−a gromadzi się pewna ilość energii. Najpierw tę pojemność trzeba jak najszybciej naładować, a potem jak najszybciej rozładować. Dlaczego jak najszybciej? Jeśli proces ładowania i rozładowania będzie przebiegał wolno, wtedy przełączanie będzie powolne i w tranzystorze będzie się wtedy wydzielać znaczna moc – wystąpią duże straty przełączania – pokazano to na rysunku 3. Jeśli ładowanie i rozładowywanie będzie szybkie, jak na rysunku 3b, straty mocy w tranzystorze będą niewielkie. Jeśli czasy te będą znaczne (rysunek 3a), tranzystor będzie się silnie grzał.

Policzmy teraz, w ciągu jakiego czasu prąd 10 mA naładuje pojemność 1 nF do napięcia 10 V:

t = CU/I
t = 1 nF×10 V / 10 mA = 1000 ns

1000 ns, czyli jedna mikrosekunda – to dużo, bardzo dużo, jak na szybkie układy impulsowe. Dlatego zapamiętaj raz na zawsze, że przy pracy impulsowej obwody sterujące bramką MOSFET−a muszą mieć jak największą wydajność prądową. Naprawdę nie zaszkodzi, gdy wydajność będzie rzędu nawet 1 A. Właśnie dlatego często stosuje się tranzystorowy wtórnik symetryczny jak na rysunku 4a, bądź równolegle łączy bramki wg rysunku 4b.

Początkujący się dziwią, bo wiedzą tylko, iż MOSFET−y są sterowane napięciowo, a tu widzą stopnie sterujące silniejsze niż w zwykłych tranzystorach.

Ale uwaga – problem pojemności i jej przeładowania ma znaczenie tylko przy większych częstotliwościach. Przy pracy statycznej i przy małych częstotliwościach nie trzeba się nim przejmować i bramka MOSFET−a może być sterowana przez obwód o dużej oporności.

Niemniej stosując MOSFET−y w różnych nietypowych układach również warto pamiętać o pojemnościach między bramką a pozostałymi elektrodami. Czasem niespodziankę sprawia pojemność bramka−dren, przez którą do obwodu drenu przenikają impulsy sterujące bramką.

Dioda

Druga bardzo ważna sprawa to obecność pasożytniczej diody między drenem a źródłem. Wbij sobie do głowy raz na zawsze, że choć używamy symbolów MOSFET−ów z rysunku 5a, w rzeczywistości zawsze zawierają diodę, jak pokazano na rysunku 5b.

W normalnych warunkach pracy nie przeszkadza ona, bo jest spolaryzowana zaporowo. Jednak MOSFET−y są bardzo często stosowane w nietypowych układach, choćby jako przełączniki sygnałów zmiennych. Wtedy obowiązkowo trzeba uwzględnić obecność tej diody. Czasem nawet bywa ona wykorzystywana (jej prąd przewodzenia jest taki sam jak tranzystora).

Skąd ta dioda? W procesie produkcyjnym powstają nieodłączne pasożytnicze złącza oraz struktury i w rezultacie dokładniejszy schemat zastępczy wygląda jak na rysunku 6.

Nie musisz wgłębiać się w szczegóły − tranzystor z rysunku 6 w rzeczywistości zachowuje się jak dioda z rysunku 5. ZAWSZE WIĘC PAMIĘTAJ O OBECNOŚCI TEJ DIODY! Dotyczy to jednak tylko MOSFET−ów, a nie JFET−ów.

Podsumowanie

Ogólnie biorąc, MOSFET−y to bardzo użyteczne elementy. Nie ma najmniejszego powodu, żebyś się ich bał i nie wykorzystywał ich wspaniałych zalet. Jeśli do tej pory miałeś jakiekolwiek obawy – śmiało zacznij je stosować. Nie bój się − jeśli chodzi o podatność na uszkodzenia, to MOSFET−y mocy, np.: BUZ10, BUZ11, IRF540, itd., sprawują się bardzo dobrze. Naprawdę niełatwo je zepsuć. Uszkodzenia wywołane ładunkami statycznymi zdarzają się niezmiernie rzadko. Znacznie gorzej z małymi MOSFET−ami typu: BS170, BS107, BS250. Są one delikatne i naprawdę łatwo je uszkodzić. Należy obchodzić się z nimi bardzo ostrożnie: przechowywać je wetknięte w czarną przewodzącą gąbkę, uziemić stanowisko pracy, uziemić grot lutownicy, rozładowywać swe ciało często dotykając uziemienia i czarnej gąbki, itd. Ze względu na tę wrażliwość zalecam taką właśnie ostrożność podczas testowania małych MOSFET−ów za pomocą omomierza wg rysunku 7 − w czasie takich prób można je nieoczekiwanie bezpowrotnie zepsuć (duży opór wg rysunku 7 oznacza, że omomierz pokazuje wartość nieskończenie wielką).

Na koniec mam dla ciebie jeszcze jedną dobrą wiadomość − generalnie wyprowadzenia MOSFET−ów są znormalizowane − typowy układ wyprowadzeń znajdziesz na rysunku 8.

MOSFET−y mocy zawsze mają podany rozkład wyprowadzeń. Bardzo rzadko można spotkać małe MOSFET−y w obudowie TO−92, gdzie kolejność wyprowadzeń jest inna (DGS albo GDS zamiast SGD).

Oprócz klasycznych MOSFET−ów z kanałem N i P spotkasz też MOSFET−y z dwoma bramkami. Są używane w układach w.cz. jako stopnie wejściowe, wzmacniacze o napięciowo regulowanym wzmocnieniu, mieszacze, itd. Nie będziemy wgłębiać się w ten temat, ale są to jedne z nielicznych MOSFET−ów zubożonych (depletion mode). Możesz traktować takiego dziwoląga jako kaskodowe połączenie dwóch zubożonych MOSFET−ów według rysunku 9.

I tyle na początek powinieneś wiedzieć o tranzystorach polowych. Jeśli czegoś nie zrozumiałeś, napisz do mnie. Jeśli zrozumiałeś i przestałeś się bać wszelkich FET−ów, również napisz!

Piotr Górecki