Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Kurs elektroniki II – #5 – tranzystory unipolarne (MOSFET)

Elektronika 14.01.2016 Futrzaczek

KursElektroniki2_5Tranzystory bipolarne poznaliśmy wykonując kilka ćwiczeń praktycznych podczas I poziomu kursu podstaw elektroniki. Tranzystory innego typu były dla nas wtedy tylko ciekawostką

Pora to zmienić, dlatego w tym artykule powiemy więcej o tranzystorach unipolarnych. Przekonasz się, że są to bardzo użyteczne podzespoły, które warto stosować!

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

» Pokaż/ukryj cały spis treści «

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Przed dalszą lekturą artykułu upewnij się, że znasz materiał  z 7 części kursu elektroniki. Zostały tam omówione i opisane tranzystory bipolarne. Jak już powinieneś wiedzieć, posiadają one trzy elektrody, a ich załączenie polega na przepuszczeniu przez bazę prądu o odpowiedniej wartości. Charakteryzowały się posiadaniem trzech warstw półprzewodnika i – co za tym idzie – dwóch złącz półprzewodnikowych.

Tranzystory unipolarne występują w wielu różnych odmianach, każda z nich diametralnie różni się od pozostałych. W ramach kursu zostaną omówione tylko tranzystory typu MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), ponieważ to one są najczęściej stosowane jako klucze załączające podzespoły pobierające dużą moc (np.: silniki).

1_unipolarne_podzial

Warto w tym miejscu nadmienić, że większość układów scalonych jest produkowana z użyciem wyłącznie tranzystorów unipolarnych. Są one również stosowane w pamięciach. Jakie właściwości o tym decydują? O tym w dalszej części artykułu!

Zestaw elementów do przeprowadzenia ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Elementy konieczne do wykonania ćwiczeń zebrane zostały w gotowe zestawy, które można nabyć w Botlandzie. W wygodnym kuferku znajdziecie ponad 160 części elektronicznych!


Kup w Botlandzie »

MOSFET – budowa tranzystora

Tranzystory typu MOSFET składają się z:

  • bramki G (ang. gate) w postaci metalizowanej powłoki,
  • izolatora z tlenku krzemu, oddzielającego bramkę od innych podzespołów,
  • podłoża B (ang. body) – półprzewodnik domieszkowany przeciwnie do rodzaju kanału,
  • drenu D (and. drain) i źródła S (ang. source), które są obszarami w podłożu o domieszkowaniu przeciwnym do niego.

4_przekroj_mosfet

W większości tranzystorów, które możesz kupić w sklepie, podłoże jest zwarte ze źródłem, dlatego tranzystory te mają tylko trzy wyprowadzenia.

Domieszkowanie polega na wprowadzeniu do czystego krzemu (najczęściej są to tranzystory krzemowe) dodatkowych atomów. Atomy te wmontowują się w jego sieć krystaliczną i diametralnie zmieniają właściwości elektryczne.

Czysty krzem bardzo słabo przewodzi prąd.

Odrobina teorii dla ciekawskich

Jeżeli dodamy do krzemu donorów, czyli atomów posiadających o jeden elektron walencyjny więcej niż krzem (np. fosfor), wówczas uzyskamy półprzewodnik typu N. W takim półprzewodniku nośnikiem prądu stają się wolne elektrony, pochodzące od domieszki. Półprzewodnik typu P powstaje po dodaniu akceptorów, czyli atomów posiadających o jeden elektron walencyjny mniej od krzemu (np. aluminium). W ten sposób powstają dziury, czyli umowne byty o ładunku dodatnim.

Przykładowo, tranzystory z kanałem typu N (do takich zalicza się BS170, na którym będziemy działąć) posiadają podłoże typu P, a dren i źródło są typu N. Analogicznie wykonane są tranzystory z kanałem typu P: podłoże jest domieszkowane donorami, a dren i źródło akceptorami.


Artykuł ten jest najtrudniejszym z całego kursu. Poświęć odpowiednią ilość czasu na zrozumienie teorii i przyswojenie pojęć. Nie przejmuj się jednak, gdy nie zrozumiesz wszystkiego za pierwszym razem!

Zasada działania tranzystora MOSFET

Z uwagi na popularność, poniżej omówione zostały tranzystory z kanałem wzbogaconym, w których kanał powstaje po przyłożeniu napięcia między bramkę a źródło.

Drugi typ tranzystorów MOSFET – z kanałem zubożanym, w których kanał istnieje bez przyłożenia napięcia – nie będzie tutaj omawiany.

Przez wyłączony tranzystor, w obwodzie dren-źródło nie płynie prąd. Dzieje się tak, ponieważ dren znajduje się na potencjale wyższym, niż stykające się z nim podłoże (zwarte ze źródłem), co polaryzuje utworzone tam złącze p-n zaporowo. Innymi słowy: znajdująca się tam „niechcący” dioda zostaje zatkana.

Ta dioda jest często umieszczana na schematach ideowych, wewnątrz tranzystora MOSFET. Co widać na poniższej ilustracji:

2_zlacze_pn_mosfet

Producenci starają się, aby ten element „dodatkowy” miał bardzo dobre parametry, ponieważ pozwala on chronić tranzystor przed przepięciami – tak, jak dioda włączana przy cewce przekaźnika.

Sytuacja zaczyna się zmieniać, jeżeli do bramki zaczniemy przykładać napięcie dodatnie względem źródła. Bramka jest odizolowana od pozostałych elementów tranzystora, dlatego nie płynie przez nią prąd. Naprzeciw bramki, po drugiej stronie izolatora, znajduje się podłoże zawierające dużo nośników dodatnich. Dodatni potencjał bramki odpycha je wgłąb podłoża, przez co w obszarze pod bramką pozostają atomy domieszek i elektrony, przyciągnięte z całego podłoża.

Nagromadzenie się elektronów w obszarze pod bramką nazywa się warstwą inwersyjną. Posiada ten sam typ przewodnictwa co dren i źródło, a to oznacza, że dioda przy drenie przestaje istnieć i przez tranzystor płynie prąd.

Skąd się wzięły te elektrony? One w półprzewodniku typu P znajdują się w sposób naturalny (pochodzą od krzemu), ale ich liczebność jest wiele tysięcy razy mniejsza niż dziur. Kiedy warstwa elektronów robi się odpowiednio gruba, tworzy się kanał, przez który może płynąć prąd między drenem, a źródłem. Kanał ten jest typu N, ponieważ tworzą go elektrony – stąd drugi człon nazwy.

Kiedy tranzystor zaczyna przewodzić?

Zasadne jest postawienie pytania: przy jakim napięciu bramka-źródło przez tranzystor może płynąć prąd? Parametr ten nazywa się napięciem progowym (UT) – po jego przyłożeniu, w tranzystorze tworzy się kanał. W rzeczywistości, prąd przez tranzystor płynie przy dowolnym napięciu bramka-źródło, jednak może on mieć baaaardzo małą wartość.

Producenci zawsze podają napięcie progowe przy ustalonym prądzie drenu (ID). Uznaje się wtedy, że płynący prąd jest już „znaczący”, co jest kwestią umowną. Niestety, każdy producent inaczej definiuje napięcie progowe, tj. przy wygodnym dla niego prądzie drenu.

Najlepiej sprawdzić to „dla treningu” w dokumentacjach kilku tranzystorów. Przykładowo, poniższy zrzut jest fragmentem noty katalogowej układu 2N7000, który jest bardzo podobny do BS170.

ke_II_nota

Najważniejsze parametry tranzystorów MOS

Tranzystory MOSFET mają, podobnie jak bipolarne, całe mnóstwo rozmaitych parametrów. Skupię się na tych, które są najistotniejsze z punktu widzenia sterowanego włącznika, czyli zastosowania, do którego najczęściej wykorzystują go majsterkowicze.

  • Rezystancja otwartego kanału – jeżeli napięcie UGS jest kilkukrotnie wyższe od progowego, wówczas utworzony kanał jest na tyle szeroki, że dalsze jego poszerzanie niczego nie zmienia, ponieważ w grę wchodzą inne ograniczenia, jak szerokość obszaru drenu czy rezystancja kontaktów. W tym stanie, tranzystor zachowuje się jak rezystor, o rezystancji od kilku omów do kilku miliomów. Im mniejsza jest ta rezystancja, tym mniejsze będą straty mocy.
  • Maksymalne napięcie bramka-źródło – bramkę od źródła oddziela bardzo cienka warstwa dielektryka, który może zostać przebity, jeżeli przyłoży się do niego zbyt wysokie napięcie.

Należy uważać, aby go nie przekroczyć, ponieważ zbagatelizowanie tego problemu może skończyć się zniszczeniem tranzystora.

  • Maksymalny prąd drenu – czyli maksymalny prąd, jaki może załączać tranzystor.
  • Maksymalne napięcie dren-źródło – analogicznie, jak przy maksymalnym UGS, tak samo przekroczenie dopuszczalnego UDS może zniszczyć tranzystor.
  • Maksymalna moc strat – wynika z nagrzewania tranzystora podczas przepływu prądu.

Jak szybko uszkodzić MOSFETa?

W przeciwieństwie do tranzystorów bipolarnych, tranzystory MOSFET są bardzo wrażliwe na ładunki elektrostatyczne. Gromadzą się one wszędzie, w tym i na powierzchni naszego ciała.

Charakterystyczne kopanie prądem człowiek wyczuwa przy różnicach potencjałów rzędu tysięcy woltów. Takie same napięcia mogą odkładać się w strukturze tranzystora, wszak bramka jest doskonale odizolowana od drenu i źródła.

Czemu o tym piszę? Wystarczy zajrzeć do jakiejkolwiek noty katalogowej tranzystora tego typu aby dowiedzieć się, że maksymalne napięcie UGS to zaledwie 20V! Można je bardzo łatwo przekroczyć nawet nie będąc tego świadomym – wystarczy nieuważnie dotknąć tranzystor w suchym pomieszczeniu.

5_przebicie

Z tego powodu, tranzystory te należy przechowywać w antystatycznych woreczkach lub wetknięte w czarną gąbkę przewodzącą. Zwarcie między nóżkami rozładuje bramkę i zniweluje zagrożenie.

Poza tym, tranzystory tego typu najlepiej jest wlutowywać do układu na samym końcu. Ich wyprowadzenia najlepiej zewrzeć np. folią aluminiową, którą zdziera się po zamontowaniu.

Zastosowanie tranzystorów MOSFET

Tranzystorów unipolarnych używać będziemy głównie jako sterowane napięciem przełączniki. Wyjdą tutaj na jaw dwie największe zalety:

  1. brak poboru prądu przez bramkę,
  2. niska rezystancja otwartego kanału, co przekłada się na mniejsze straty.

Oczywiście najlepiej będzie sprawdzić to w praktyce. Do wykonania eksperymentu potrzebne będą:

  • buzzer,
  • tranzystor BS170,
  • 4 baterie AA z koszykiem,
  • płytka stykowa,
  • przewody połączeniowe,
  • rezystory: 100R, 10kΩ, 1M.

Dla przypomnienia opis wyprowadzeń tranzystora BS170, który pojawił się już w 7 części kursu elektroniki poziom I:

mos

Zmontuj układ według poniższego schematu, wstawiając na początek rezystor R o wartości 10kΩ. Dla bezpieczeństwa powinieneś zewrzeć sreberkiem wyprowadzenia tranzystora i zdjąć je tuż przed podłączeniem baterii.

Tranzystor MOSFET w praktyce - ćwiczenie.

Tranzystor MOSFET w praktyce – ćwiczenie.

Na płytce stykowej całość może wyglądać następująco:

Tranzystor MOSFET - układ z rezystorem 10k.

Tranzystor MOSFET – układ z rezystorem 10k.

Czy buzzer piszczy? Zmierz prąd przez niego płynący oraz napięcie między drenem i źródłem tranzystora. Możesz też zmierzyć napięcie między wyprowadzeniami opornika.

Odłącz baterię, zewrzyj nogi tranzystora i wymień rezystor na inny, np. o wartości 1MΩ. Zdejmij srebrną folię, ponownie podłącz baterię i wykonaj pomiary. Spróbuj również z innymi wartościami rezystorów, np. 100Ω. Co zaobserwowałeś?

Tranzystor MOSFET - układ z rezystorem 1M.

Tranzystor MOSFET – układ z rezystorem 1M.

Co się stanie, jeżeli podłączysz bramkę poprzez rezystor do masy – tak, jak na poniższym schemacie? Sprawdź jak układ zachowuje się w praktyce! Podziel się swoimi spostrzeżeniami w komentarzu!

Tranzystor MOSFET w praktyce - ćwiczenie 2.

Tranzystor MOSFET w praktyce – schem. 2.

Połączenie na płytce stykowej może wyglądać przykładowo, tak jak poniżej:

Tranzystor MOSFET - drugi układ w praktyce.

Tranzystor MOSFET – drugi układ w praktyce.

W tym doświadczeniu, tranzystor był sterowany bardzo silnie: jego napięcie UGS kilkukrotnie przekraczało wartość napięcia progowego.

Stało się tak, ponieważ źródło podłączono do masy, a bramkę do napięcia zbliżonego do +6V, podczas gdy napięcie progowe tego tranzystora to 2-3V. Z kolei, połączenie bramki ze źródłem spowodowało zanik kanału i brak przepływu prądu, ponieważ UGS = 0.

Kiedy stosować MOSFETy?

Tranzystory bipolarne i unipolarne, to wdzięczne elementy, ale zachodzi pytanie: kiedy je stosować? Każde z nich ma swoje wady i zalety, dzięki czemu w niektórych aplikacjach jedne zyskują przewagę nad drugimi.

Używanie tranzystorów bipolarnych jest z pewnością warte uwagi, gdy układ zasilany jest niskim napięciem (np. 1,5V czy 3,3V), ponieważ do działania wystarczy mu napięcie rzędu 0,7V. Tranzystor unipolarny może jeszcze nie być w pełni otwarty w takich warunkach.

Tranzystory MOSFET są zalecane do sterowania obciążeniami pobierającymi prądy rzędu amperów, ponieważ sterownik nie musi dostarczać mu prądu, wystarczy ustawienie odpowiednio wysokiego potencjału.

Jednak, aby w pełni otworzyć tranzystor, należy między bramkę, a źródło przyłożyć napięcie kilkukrotnie wyższe niż progowe. Niekiedy producenci określają je mianem napięcia włączenia.

Ponadto, stosowanie tranzystorów unipolarnych jest zalecane w miejscach, gdzie liczy się pobór prądu. W niektórych zastosowaniach, zwłaszcza w układach zasilanych z małych baterii, nawet te kilka mikroamperów pobieranych przez bazę potrafi wyraźnie skrócić czas pracy.

Między emiterem i kolektorem w pełni włączonego (nasyconego) tranzystora bipolarnego, odkłada się ustalone napięcie – typowo 0,2V, ale wartość ta może być większa dla tranzystorów dużej mocy. Tranzystory unipolarne cechują się jedynie rezystancją otwartego kanału, przez co spadek napięcia na nich jest zależny od płynącego prądu.

Na koniec jeszcze jedna uwaga praktyczna. Jeżeli musimy wysterować np. 10 superjasnych diod świecących, każda przez odrębny tranzystor, to tranzystorów bipolarnych należałoby użyć dziesięć, wraz z dziesięcioma rezystorami, po jednym do bazy każdego z nich. Tymczasem, użycie MOSFETów wyeliminuje konieczność stosowania dodatkowych rezystorów, co zaoszczędzi miejsce na płytce.

Kwestia rezystora

Na wielu schematach można zobaczyć następujący obrazek: w szereg z bramką włączony jest rezystor o wartości kilkunastu-kilkudziesięciu omów, jak na przykładowym, poniższym schemacie.

Nie ważne, co on w tej chwili przedstawia.
Skupmy się na fragmencie w białej ramce.

6_schemat555_bez

Mimo, iż prąd stały praktycznie nie płynie przez bramkę (wynika jedynie z niedoskonałości dielektryka), to prąd zmienny robi to z wielką przyjemnością. Dzieje się tak, ponieważ między bramką a pozostałymi elektrodami znajduje się izolator. Skutkuje to pojawieniem się tam pojemności o całkiem znaczącej wartości.

7_poj_wejsciowa

Te kondensatory trzeba naładować podczas włączania tranzystora oraz rozładować, chcąc tranzystor wyłączyć. Producenci starają się, by pojemności te były jak najmniejsze, ponieważ tylko wtedy można szybko je przeładować. Dla omawianego BS170 Fairchild Semiconductor podaje 40pF pojemności wejściowej, czyli zsumowaną wartość obydwu wyróżnionych kondensatorów.

Z kolei, popularny BUZ11 ma pojemność wejściową na poziomie 2nF, czyli pięćdziesięciokrotnie większą! Dodanie rezystora wydłuża wprawdzie czas przeładowywania tej pojemności, lecz zmniejsza prąd płynący przez wyjście sterownika.

W przypadku częstego przełączania (np. realizując regulację mocy za pomocą PWM), takie udary mogą wręcz przegrzać układ scalony sterujący bramką.

Najpopularniejsze tranzystory MOSFET

W sklepach dostępne jest kilkaset rodzajów tranzystorów MOSFET, liczba ogółem produkowanych typów jest wielokrotnie większa. Dla początkujących przydatne będą jednak te, które są tanie i łatwo dostępne w handlu detalicznym. Oto kilka z nich:

IRFZ44N – można go łatwo przykręcić do radiatora, cechuje się niską rezystancją otwartego kanału (17,5mΩ) i potrafi przewodzić duże prądy (do 49A). Niestety, ma dosyć wysokie napięcie progowe (2…4V), dlatego zalecam sterowanie go z wyższego napięcia, np. 12V.

IRL2703 – jest nieco słabszy (maksymalny prąd drenu 24A) i posiada wyższą rezystancję otwartego kanału (40mΩ), za to jego napięcie progowe wynosi ok 1V, przez co można się pokusić o sterowanie go wprost z mikrokontrolera zasilanego napięciem 5V.

BSS123 – dostępny jest w niewielkiej obudowie montowanej powierzchniowo (SMD), co może utrudnić montaż początkującym elektronikom. Jego parametry nie są zachwycające: rezystancja otwartego kanału rzędu 10Ω (przy UGS = 4,5V) i maksymalny prąd drenu wynoszący 170mA. Doskonale nadaje się do bezpośredniego sterowania z mikrokontrolerów zasilanych napięciem 5V.

8_pinouty_3_mosow

Podsumowanie

Tranzystory unipolarne to olbrzymi zbiór elementów, które należy bez wahania stosować. Niniejszy artykuł miał na celu przekrojowe omówienie najistotniejszej grupy (dla majsterkowiczów), czyli tranzystorów typu MOSFET z kanałem wzbogacanym. Inne, jak np. JFET, nie zostaną omówione w tym kursie. Jeśli będzie taka potrzeba, to zajmiemy się nimi w przyszłości.

Najważniejsze minimum, jakie należy zapamiętać z tej lekcji, to informacja, że tranzystory MOSFET,  to układy, gdzie płynący prąd zależy od wartości przyłożonego napięcia. Co ważne, ze źródła sterującego nie pobierają one praktycznie żadnego prądu!

» Pokaż/ukryj cały spis treści «

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

Nie chcesz przegapić kolejnych części kursu? Skorzystaj z poniższego formularza i zapisz się na powiadomienia o nowych artykułach!

Autor kursu: Michał Kurzela
Redakcja: Damian (Treker) Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

VVasyl

20:38, 18.01.2016

#1

To wyniki moich pomiarów. Zwieszając rezystancję opornika zmniejszamy napięcie między bramką[G], a podłożem[B] i tym samym zamykamy kanał, którym może płynąć prąd między drenem[D], a źródłem[S](zwiększa się tym samym opór złącza, ponieważ "trudniej" jest przepłynąć ładunkowi). Dla opornika 1M kanał jest prawie całkowicie zatkany i płynie jedynie minimalny prąd. Podłączając opornik do masy tak na prawdę zwieramy bramkę[G], podłoże[B] i źródło[S].

daniel022

22:54, 02.04.2016

#2

witam jest możliwość że dostałem dwa zepsute mosfety ?? po podłączeniu wszystkiego na płytce buzer piszczy jednostajnym dźwiękiem pomimo zmian opornika o różnych wartościach. Oczywiście od razu zaznaczam że stosowałem ochronę sreberkiem. a mosfety przyszły i są przechowywane w woreczku w jakim je dostałem.

Treker
Administrator

12:32, 03.04.2016

#3

daniel022, czy jesteś przekonany, że wybierasz poprawne elementy? Dla pewności mówimy o BS170, tak? Możesz wstawić zdjęcie Twojego układu? Szanse, że elementy elektroniczne przyszły uszkodzone od producenta są wręcz bliskie zeru. Może razem znajdziemy jakiś błąd w układzie :)

daniel022

19:43, 07.04.2016

#4

witam tak mówimy o BS170, raczej wszystko jest poprawne

aha miernikiem sprawdzałem wartości na zasilaniu z baterii

buzzer

misiek458

12:32, 10.04.2016

#5

Witam. Także u mnie nie ma żadnych zmian wartości prądu ani napięć bez względu na użyte oporniki. Nie wiem czy dobrze zrozumiałem tą lekcję ale chyba właśnie tak powinno być. Jeżeli przez bazę nie płynie żaden prąd to na rezystorze nie powinno być zmian napięcia a tym samym rodzaj rezystora nie powinien wpływać na pozostałe pomiary. Skoro Mosfety są regulowane napięciem to żeby otrzymać różne wyniki pomiarów należało by chyba użyć dzielnika napięcia. Jeden rezystor mógłby tylko zmienić prąd bazy pod warunkiem że ten w ogóle płynie tak jak to jest w przypadku tranzystorów bipolarnych a jeżeli prąd nie płynie to potencjał na bazie pozostaje ten sam. Proszę mnie poprawić jeśli się mylę.

Treker
Administrator

16:10, 11.04.2016

#6

daniel022, przepraszam za zamieszanie, które tu wprowadziłem. Z rozpędu zacząłem szukać rozwiązania problemu z "niedziałającym" układem, a wszystko było poprawnie. Zwróć uwagę, że używamy MOSFETY, które sterowane są napięciem. Możesz zbudować dzielnik napięcia i wtedy zobaczysz, że buzzer wydaje dźwięk tylko, gdy tranzystor sterowany jest odpowiednim napięciem. Płynący prąd (a to reguluje rezystor) nie ma tutaj związku z działaniem układu. To właśnie różnica między tranzystorami bipolarnymi, a mosfetami.

Więc misiek458 ma rację :)

Juhas

14:29, 01.06.2016

#7

OK, czegoś tu nie rozumiem. Mi też zawsze piszczał buzzer i w sumie nadal nie wiem, czy to źle, czy dobrze. Ale postanowiłem poeksperymentować. Utworzyłem sobie dzielnik napięcia taki, że napięcie bramka-źródło jest około 0,5V. Wg dokumentacji, tranzystor nie powinien wtedy przewodzić. Natomiast stała się rzecz dość dziwna, bo po podłączeniu buzzera, napięcie bramka-źródło skoczyło mi do 1,29V. Załączam swój schemat na szybko zrobiony w Paincie ;)

R1 ma 10kOhm. R2 ma 1kOhm, to czarne kółko to buzzer. Napięcie 6V.

I jeszcze jedno pytanie. W schemacie z tej strony bramka jest połączona przez rezystor do plusa. I teraz pytanie - dlaczego spadek napięcia na tym rezystorze nie jest równy napięciu zasilania?

leepa79

17:01, 20.06.2016

#8

Ciekawa lekcja. Po pierwszym przeczytaniu średnio było ze zrozumieniem. Musiałem posiłkować się innymi źródłami (RS Elektronika i Elektroprzewodnik). Przy pomiarach (ćwiczenia praktyczne) 'popsułem' tranzystor. Na szczęście w zestawie były dwa :) Podsumowując - jest dobrze i jedziemy dalej. Dzięki i pozdrawiam.

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.

ATLAS uczy się robić porządki

Po zdobyciu drugiego miejsca w DRC (DARPA Robotics Challenge), robot...

Zamknij