Tranzystory MOSFET

Mam nadzieję, ze czytałeś już o tranzystorach JFET, 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.

Rodzaje tranzystorów MOSFET

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 tranzystorów MOSFET

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 też 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.

Rezystancja

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 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 występuje 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.

Typowy przebieg charakterystyki przejściowej

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.

Konduktacja przejściowa

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 przedstawiające zależność mocy traconej i prądu drenu od temperatury.

Różnice MOSFET-ów od tranzystorów bipolarnych

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.

Zjawisko tzw. Drugiego przebicia

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 artykuł o wadach tranzystora unipolarnego MOSFET.

Opracowano na podstawie miesięcznika EDW.

Porównywarka cen sprzętu RTV