MOSFET tranzystor unipolarny - zalety

Mam nadzieję, ze czytałeś już o JFET-ach, obecnie straciły one na popularności i są raczej rzadko spotykane. Inna sprawa jeżeli chodzi o MOSFET-y. Tego rodzaju tranzystory  będziesz spotykał nieporównanie częściej. I jest dobra wiadomość - 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.

Są dwa rodzaje MOSFET-ów – z kanałem zubożonym (depletion mode), które przypominają parametrami JFET-y: przy zwarciu bramki ze źródłem są otwarte, żeby je za­mknąć, trzeba na bramkę podać napięcie, po­wiedzmy, ujemne. Takich tranzystorów raczej 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 powoduje zmianę prądu w ciągu zaledwie 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 tez nie budzi wątpliwości – przy zbyt dużym prądzie, również następuje uszkodzenie tranzystora. Trzeba tylko pamiętać, że w katalogu obok maksymalnego ciągłego prądu drenu podaje się też znacznie większy prąd szczytowy (impulsowy).

Trzeci parametr tez jest łatwy do zrozumienia. U_GSth (gdzie th pochodzi od threshold-próg) to napięcie bramka-żródło, przy którym tranzystor zaczyna się otwierać, a konkretnie, gdy prąd drenu ma wartość 1mA. Można przyjąć, że przy napięciach bramki mniejszych niż UGSth tranzystor jest całkowicie zatkany. 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 10V. Zwiększanie napięcia U_GS do 15V nie zaszkodzi, ale i nie zmniejszy już znacząco rezystancji R_Dson.

Dość ważna informacja – zakres dopuszczalnych napięć U_GS wynosi dla praktycznie wszystkich MOSFET-ów ±15V…±20V.

Warto tą informację zapamiętać!

W każdym razie nawet przy pełnym otwarciu (podaniu na bramkę znacznego napięcia), między drenem a żródłem 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 5A, to napięcie U_DS wyniesie typowo tylko:

U_DS = 0,04Ω * 5A = 200mV

Straty mocy wyniosą zaledwie:

P = 200mA * 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, 1Ω ), wtedy spadek napięcia wyniesie 5A * 1Ω = 5V, a straty mocy aż 25W. Tu potrzebny będzie solidny radiator.

Warto zapamiętać, iż tranzystory z kanałem p mają większą rezystancję R_DSon, niż podobne z kanałem n. W tabeli 1 podane są podstawowe parametry kilku popularnych tranzystorów mocy w obudowach TO-220. Warto zwrócić uwagę na zależność między R_DSon i U_DSmax.
Charakterystyki

W katalogach występ uje wiele parametrów i charakterystyk. Nie wszystkie są jednakowo ważne. Na rysunku 2 znajduje się skopiowana z katalogu charakterystyka wyjściowa 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 3.  Kluczowe znaczenie ma wartość napięcia progowego,  przy którym tranzystor zaczyna się otwierać (gdy prąd ma „standardową” wartość 1mA). 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.

Warto zapamiętać! Choć tranzystor MOSFET zaczyna się otwierać przy jakimś napięciu U_GSth to jednak do pełnego otwarcia jest wymagane napięcie znacząco wyższe niż U_GSth.

Niektóre tranzystory potrzebują trochę więcej napięcia U_GS, by prąd wzrósł np. o 1A, 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 chodzi o problem odprowadzania ciepła i stosowania radiatorów, to zależności są takie same jak w zwykłych tranzystorach i układach scalonych. W katalogach znajdziesz wartość rezystancji termicznej R_thjc oraz wykresy przedsta wiające zależność mocy traconej i prądu drenu od temperatury.

Trzeba 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 4. W sumie oznacza to, że można bezpośrednio łączyć równolegle kilka podobnych MOSFET-ów, ale ze względu na rozrzut napięcia UGSth nie w układach liniowych, tylko w przełączających, gdzie na bramki podawane jest znaczne napięcie otwierające je całkowicie. W praktyce nie łączy się tranzystorów równolegle czy szeregowo, gdyż z przebogatej oferty można wybrać tranzystor o potrzebnym napięciu i prądzie.

Warto wspomnieć, ze w MOSFET-ach nie występuje zjawisko tzw. Drugiego przebicia (second breakdown). Dzięki temu MOSFET-y są bardziej odporne na niesprzyjające warunki pracy i trudniej je zepsuć. Dotyczy to np. stopni wyjściowych wzmacniaczy mocy audio.
Po przeanalizowaniu zalet MOSFET-ów wydaje się, że to idealne tranzystory. Czy aby na pewno?
Żeby się przekonać, że nie do końca tak jest , przeczytaj następny artykuł, zamieszczony poniżej.

MOSFET tranzystor unipolarny - wady

Prawdopodobnie jesteś zachwycony wła­ściwościami MOSFET-ów, omówionych w poprzednim artykule. Rzeczywiście, do wielu zastosowań są to wymarzone tranzy­story, zdecydowanie lepsze niż zwykłe tran­zystory bipolarne. Ale w błędzie jest ten co myśli, że MOSFET-y to elementy idealne. Niekoniecznie. Trzeba zwrócić szczególną 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 – zobacz rysunek 5. W MOSFET-ach mocy pojemności te są rzędu 1nF. Czy ten jeden nanofarad to znikoma pojemność i nie ma czym się przejmować? Wprost przeciwnie!

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 6, gdzie przy częstotliwości 100kHz bramka tranzy­stora sterowana jest przez rezystor R1 o du­żej wartości 100k?.

Jeśli w obwodzie bram­ki nie płynie prąd, to chyba obecność tego rezystora nie powinna przeszkadzać...

Rezystancja R1 z pojemnością bramka-źródło tranzystora daje stałą czasową rzędu 100µs (100k?*1nF) 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 100kHz, czemu odpowiada okres 10µs, 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 6b). Gdyby impulsy miały wypełnienie 50%, na bramce panowałoby napięcie stałe rzędu 4,5V, a więc tranzystor byłby ciągle otwarty (linie przerywane na rysunku 6b).

Koniecznie trzeba zmniejszyć wartość R1. Zmniejszyć, by przebiegi wyglądały przynaj­mniej jak na rysunku 7a, a najlepiej całko­wicie usunąć, by wyglądały jak na rysunku 7b. 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 wydzielać znaczna moc – wystąpią duże straty przełącza­nia – pokazano to na rysunku 7. Jeśli ładowa­nie i rozładowywanie będzie szybkie, jak na rysunku 7b, straty mocy w tranzystorze będą niewielkie. Jeśli czasy te będą znaczne (rysu­nek 7a), tranzystor będzie się silnie grzał.

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

 

t = CU/I

t = 1nF*10V / 10mA = 1000ns

1000ns, czyli jedna mikrosekunda – to dużo, bardzo dużo, jak na szybkie układy impulso­we. Dlatego zapamiętaj raz na zawsze, że przy pracy impulsowej obwody sterujące bramkę MOSFET-a muszą mieć jak najwięk­szą wydajność prądową. Naprawdę nie za­szkodzi, gdy wydajność będzie rzędu nawet 1A. Właśnie dlatego często stosuje się tran­zystorowy wtórnik symetryczny jak na ry­sunku 8a, bądź równolegle łączy bramki wg rysunku 8b.

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 bramkę.

Dioda

Druga bardzo ważna sprawa to obecność pa­sożytniczej diody między drenem a źródłem. Zapamiętaj raz na zawsze, że choć używamy symbolów MOSFET-ów z rysunku 9a, w rzeczywistości zawsze zawierają dio­dę, jak pokazano na rysunku 9b. 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 10.

Nie trzeba zagłębiać się w szczegóły – tranzystor z rysunku 10 w rzeczywistości zachowuje się jak dioda z rysunku 9. Warto jednak zawsze pamiętać o tej diodzie.

Podsumowanie

Ogólnie biorąc, MOSFET-y to bardzo użytecz­ne elementy. Zalecam stosowanie tych tranzystorów wszędzie gdzie to tylko możliwe. 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 niezwykle rzadko. Znacznie gorzej z małymi MOSFET-ami. Są one delikatne i naprawdę łatwo je uszkodzić.

Jeśli chodzi o wyprowadzenia MOSFET-ów to generalnie są znormalizowane – typowy rozkład wyprowadzeń podany jest na rysunku 11.

Oprócz klasycznych MOSFET- ów z kanałem N i P są jeszcze MOSFET-y z dwoma bramkami. Używane są w układach w.cz. jako stopnie wejściowe, wzmacniacze o napięciowo regulowanym wzmocnieniu, mieszacze itd. Są to jedne z nielicznych MOSFET-ów zubożonych (depletion mode).

Opracowano na podstawie miesięcznika EDW