[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Podstawy
Tranzystory polowe
MOSFET
TRANZYSTORY
dla
POCZĄTKUJĄCYCH
Część 22
W poprzednim odcinku podane były nie−
zbędne dla każdego elektronika−hobbysty
informacje o tranzystorach polowych złą−
czowych. W dwóch najbliższych odcinkach
zamieszczono wszystkie wiadomości po−
trzebne do praktycznego wykorzystania
tranzystorów MOSFET.
przewodzącego prąd kanału za pomocą dwu−
tlenku krzemu (oznacza to przy okazji, że
między bramką a kanałem tworzy się kon−
densator). 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.
zystora. Drugi parametr też nie budzi wątpli−
wości – przy zbyt dużym prądzie w tranzysto−
rze przepaleniu może ulec nie tylko struktura,
ale i wewnętrzne połączenia. Trzeba tylko pa−
miętać, iż w katalogu obok maksymalnego
ciągłego prądu drenu podaje się też znacznie
większy prąd szczytowy (impulsowy).
Trzeci parametr również jest łatwy do zro−
zumienia. U
GSth
(gdzie th pochodzi od thre−
shold – próg) to napięcie bramka−źródło, przy
którym tranzy−
stor zaczyna się
otwierać, a kon−
kretnie, gdy prąd
drenu ma war−
tość 1mA. Moż−
na przyjąć, że
przy napięciach
bramki mniej−
szych niż
U
GSth
tranzystor jest
całkowicie za−
tkany – prąd dre−
nu nie płynie,
a rezystancja
między drenem
a źródłem −
R
DS
− jest ogromna
(wiele megao−
mów). Przy zwiększaniu napięcia powyżej
U
GSth
tranzystor otwiera się coraz bardziej,
a rezystancja
R
DS
maleje. Nie można jej jed−
nak zmniejszyć do zera, a jedynie do wartości
rzędu ułamków oma lub pojedynczych omów.
I to jest właśnie czwarty parametr: najmniej−
sza rezystancja w pełni otwartego tranzystora.
Podaną w katalogu małą rezystancję R
DSon
uzyskuje się przy napięciu bramki (
U
GS
),
równym zazwyczaj 10V. Zwiększenie napię−
cia
U
GS
do 15V nie zaszkodzi, ale i nie
zmniejszy już znacząco rezystancji
R
Dson
. Tu
na marginesie ważna informacja −
ZAKRES
DOPUSZCZALNYCH NAPIĘĆ
U
GS
WYNOSI DLA
Zapoznałeś się już z JFET−ami, jednak jak
wspominałem, obecnie straciły one popular−
ność i są rzadko wykorzystywane. Również
i Ty nieporównanie częściej będziesz używał
MOSFET−ów, niż JFET−ów. I mam dobre wia−
domości – ze zrozumieniem działania MO−
SFET−a nie będziesz miał żadnych kłopotów,
a ich stosowanie okazuje się znacznie prostsze
niż “zwykłych” tranzystorów bipolarnych. Są
to naprawdę bardzo przydatne elementy i war−
to je stosować, gdzie to tylko możliwe.
Na dobry początek zapomnij o MOSFET−
ach z kanałem zubożonym (depletion mode).
MOSFET−y z kanałem zubożonym przypo−
minają parametrami JFET−y: przy zwarciu
bramki ze źródłem są otwarte, żeby je za−
mknąć, trzeba na bramkę podać napięcie, po−
wiedzmy, ujemne. Takich tranzystorów prak−
tycznie nie spotkasz.
W praktyce spotyka się tylko tranzystory
MOSFET z kanałem wzbogaconym (enhace−
ment mode). Te typowe MOSFET−y działają
podobnie, jak znane ci tranzystory bipolarne.
Gdy bramka jest zwarta do źródła − tranzy−
stor nie przewodzi, gdy na bramkę zostanie
podane napięcie o “właściwej” polaryzacji –
przewodzi. Co ważne, to napięcie nie jest ja−
kieś tam ujemne, jak w J−FET−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 zoba−
czysz na
rysunku 14
.
Tym razem w obwodzie bramki nie ma
żadnej diody. Bramka jest odizolowana od
Rys. 14 Podstawowe układy pracy
napięcie progowe otwierania, oznacza−
ne 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 tran−
Elektronika dla Wszystkich
39
Tranzystory polowe
MOSFET
Podstawowe właściwości
Najważniejszymi parametrami MOSFET−a są:
➤
dopuszczalne napięcie dren−źródło,
oznaczane U
DSmax
➤
maksymalny prąd drenu I
Dmax
➤
Podstawy
PRAKTYCZNIE WSZYSTKICH
MOSFET−
ÓW
±15...±20V
.
Zapamiętaj to!
W każdym razie nawet przy pełnym
otwarciu (podaniu na bramkę znacznego
napięcia), między drenem a źródłem wystę−
puje jakaś niewielka rezystancja. Przy prze−
pływie prądu spowoduje ona powstanie
spadku napięcia na tranzystorze, a także
nieuniknione straty mocy. Rezystancja
R
D−
Son
jest więc w pewnym sensie odpowiedni−
kiem napięcia nasycenia, znanego z tranzy−
storów bipolarnych.
Oczywiście ideałem byłby tranzystor
MOSFET o jak największym napięciu
U
DSmax
i jak najmniejszej rezystancji
R
DSon
.
Niestety, rezystancja
R
Dson
jest zdecydowa−
nie większa w tranzystorach o wyższym do−
puszczalnym 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 5A, to napięcie U
DS.
wyniesie ty−
powo tylko
U
DS.
= 0,04
Tabela 2 – MOSFET−y małej mocy
Kanał Typ U
DSmax
I
Dmax
R
DSon
N BS170 60 0,3 5
N BS107 200 0,13 26
N VN0300L 60 1 1,2
N VN2406L 240 0,5 6
N VN2410L 240 0,5 10
P BS208 200 0,2 14
P BS250 45 0,18 14
P BSS92 200 0,15 20
P BSS84 50
0,13 10
Rysunek 17
wskazuje, że napięcie progowe
tranzystora BUZ11 może wynosić w skraj−
nych przypadkach 1,5...4,5V. Analogiczne
charakterystyki bardzo popularnego małego
tranzystora BS170 pokazane są na
rysunku
18
. Tu napięcie progowe może wynosić
0,5...2,4V.
Teraz bardzo uważaj! Choć tranzystor
MOSFET zaczyna się otwierać przy jakimś
napięciu
U
GSth,
jednak
do pełnego otwar−
cia jest wymagane napięcie znacząco
większe niż U
GSth
. Niektóre tranzystory po−
trzebują trochę więcej napięcia U
GS
, by prąd
wzrósł np. o 1A, inne trochę mniej. Oczywi−
ście nie nazywamy tego czułością, tylko
KONDUKTANCJ
ą
PRZEJŚCIOW
ą. W katalo−
gach podaje się wartość konduktancji przej−
ściowej, ale nie jest to parametr najistotniej−
szy. Ponieważ MOSFET−y najczęściej pra−
cują dwustanowo, jako przełączniki – zatka−
ny/otwarty, ważniejsza jest informacja,
ja−
kie napięcie jest wymagane, żeby go
w pełni otworzy
ć. Jeśli na przykład jakiś
egzemplarz BUZ11 będzie miał napięcie
progowe 4V, to do jego pełnego otwarcia
nie wystarczy napięcie 5V, typowe dla wie−
lu układów cyfrowych. Na pewno wystar−
czy 9V, a przy 12V rezystancja R
DS
może
nawet być nieco mniejsza niż podana w ka−
talogu R
DSon
. W przypadku tranzystorów
małej mocy, np. BS170, nie ma tego proble−
mu, bo napięcie U
GSth
nie przekracza 2,4V.
cy w obudowach TO−220, a w
tabeli 2
– tran−
zystorów 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 15
znaj−
dziesz skopiowaną z katalogu
charakterysty−
kę wyjściow
ą popularnego MOSFET−a N mo−
cy typu BUZ11.
* 5A = 200mV
Straty mocy wyniosą zaledwie:
P = 200mV * 5A = 1W
Jak wiadomo, tranzystor w obudowie
TO−220 bez radiatora może rozproszyć
1...1,5W mocy strat. Żaden radiator nie jest
więc potrzebny. Jeśli jednak przy takim
samym prądzie miałby pracować tranzystor
BUZ60 (400V, 5,5A, 1
), wtedy spadek
napięcia wyniesie 5A*1Ω =5V, a straty
mocy aż 25W. Tu potrzebny będzie so−
lidny radiator.
Zapamiętaj też raz na zawsze, iż tranzysto−
ry z kanałem p mają większą rezystancję
R
DSon
, niż podobne z kanałem n (między inny−
mi dlatego są zdecydowanie rzadziej stoso−
wane). W
tabeli 1
znajdziesz podstawowe pa−
rametry kilku popularnych tranzystorów mo−
Rys. 15 BUZ11 charakterystyka wyj−
ściowa
Linią przerywaną zaznaczono tzw. hiperbolę
mocy, pokazującą dopuszczalną
moc strat. Przebieg krzywych (po−
ziome odcinki) wskazuje, że rów−
nież MOSFET przy mniejszych prą−
dach może być użyty do budowy
źródeł prądowych.
Nie jest to jednak najważniejsza
charakterystyka. Znacznie istotniej−
szy jest
typowy przebieg charakte−
rystyki przejściowej
, pokazany na
rysunku 16
. Słusznie się domy−
ślasz, że kluczowe znaczenie ma
wartość napięcia progowego, przy
którym tranzystor zaczyna się
otwierać (gdy prąd ma “standardo−
wą” wartość 1mA). Analogicznie
jak w JFET−ach, napięcie to nie jest
ściśle określone. Występuje nie tyl−
ko znaczny
rozrzut
między egzem−
plarzami, ale także daje się zauwa−
żyć znaczny
wpływ temperatury
.
Tabela 1 – MOSFET−y dużej mocy
Kanał Typ U
Dsmax
[V] I
Dmax
[A]
R
Dson
[
Ω
]
N BUZ10 50
23
0,07
N BUZ11 70
30
0,04
N BUZ71A 50
12
0,12
N BUZ74 500
2,4
3
Rys. 16 BUZ11 charakterystyka przej−
ściowa
N BUZ74A 500
2,1
4
N BUZ77A 600
2,1
4
N BUZ90 600
4,5
1,6
Wniosek jest prosty:
napięcie 5V jest za
małe do pełnego otwarcia
niektórych
egzem−
plarzy MOSFET−ów mocy
. Jeśli nie ma moż−
liwości zwiększenia napięcia sterującego po−
dawanego na bramkę, należy sprawdzić, czy
dany egzemplarz wystarczająco otworzy się
przy napięciu bramki równym 5V. Inną moż−
liwością jest zastosowanie specjalnych MO−
SFET−ów z obniżonym napięciem progo−
wym, które na pewno całkowicie się otworzą
przy napięciu bramki równym 5V.
Ciąg dalszy na stronie 93
N IRF520 100
9,2
0,27
N IRF530 100
14
0,16
N IRF540 100
28
0,077
N IRF640 200
18
0,18
N IRF740 400
10
0,55
N IRF840 500
8
0,85
P BUZ171 50
8
0,3
P BUZ271 50
22
0,15
P BUZ172 100
5
0,6
P BUZ173 200
3
1,5
P IRF9530 100
12
0,3
P IRF9540 100
19
0,2
40
Elektronika dla Wszystkich
Podstawy
Ciąg dalszy ze strony 40
Przykładowo, obok tranzystorów BUZ10 pro−
dukowane są tranzystory BUZ10L o napięciu
U
GSth
w zakresie 1,5...2,5V (podobnie
BUZ11AL).
Nie tłumaczę Ci tutaj problemów odpro−
wadzania ciepła i stosowania radiatorów.
Zależności są identyczne jak w zwykłych
tranzystorach i układach scalonych; w kata−
logu znajdziesz wartość rezystancji termicz−
nej Rthjc oraz wykresy przedstawiające za−
leżność mocy traconej i prądu drenu od tem−
peratury. Temat rezystancji cieplych i radia−
torów był wyczerpująco omówiony w EdW
7/98...9/98 oraz EdW 12/99 str. 34.
Wypadałoby jeszcze wspomnieć o pewnej
właściwości, która odróżnia MOSFET−y od
tranzystorów bipolarnych. W bipolarnych
wzrost temperatury powoduje zwiększanie
prądu kolektora, co na przykład uniemożli−
wia bezpośrednie połączenie równoległe kil−
Rys. 18 Charakterystyki BS170
stopni wyjściowych wzmacniaczy mocy au−
dio.
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. Omówi−
my je za miesiąc.
Rys. 17 BUZ11 rozrzuty napięcia
progowego
ku tranzystorów (potrzebne są rezystory wy−
równawcze w emiterze – bez nich przy du−
żym obciążeniu poszczególne tranzystory bę−
dą się przepalać po kolei). W całkowicie
otwartych MOSFET−ach rezystancja rośnie
wraz z temperaturą – ilustruje to
rysunek 19
.
W sumie oznacza to, że można bezpośrednio
łączyć równolegle kilka podobnych
MOSFET−ów, ale
ze względu na roz−
rzut napięcia U
GSth
nie w układach li−
niowych, tylko
w przełączających,
gdzie na bramki po−
dawane jest znacz−
ne napięcie otwie−
rające je całkowi−
cie. W praktyce nie
będziesz łączył
MOSFETów ani
równolegle, ani
szeregowo – spo−
śród przebogatej
oferty wybierzesz
od razu tranzystor
o potrzebnym Ci
prądzie i napięciu.
Na razie niewie−
le mówi Ci też in−
formacja, że
w MOSFET−ach
nie występuje zja−
wisko tzw. drugie−
go przebicia (se−
cond breakdown).
Wiedz jednak, że
dzięki temu MO−
SFET−y są bardziej
odporne na nie−
sprzyjające warun−
ki pracy i trudniej
je zepsuć. Dotyczy
to na przykład
Piotr Górecki
Rys. 19 BUZ11 zależność RDSon od
temperatury
Elektronika dla Wszystkich
93
[ Pobierz całość w formacie PDF ]