Wady tranzystora unipolarnego MOSFET

Prawdopodobnie jesteś zachwycony wła­ściwościami tranzystorów MOSFET, 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 tranzystorów MOSFET

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!

Praca w układach impulsowych

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 zawsze pamiętać o 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

Porównywarka cen sprzętu RTV