22. Tranzystory polowe MOSFET.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

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

0,07

N BUZ11 70

0,04

N BUZ71A 50

0,12

N BUZ74 500

2,4

Rys. 16 BUZ11 charakterystyka przej−

ściowa

N BUZ74A 500

2,1

N BUZ77A 600

2,1

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

0,16

N IRF540 100

0,077

N IRF640 200

0,18

N IRF740 400

0,55

N IRF840 500

0,85

P BUZ171 50

0,3

P BUZ271 50

0,15

P BUZ172 100

0,6

P BUZ173 200

1,5

P IRF9530 100

0,3

P IRF9540 100

0,2

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

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: