53_11.pdf

Tranzystory polowe

Część 21

TRANZYSTORY

dla

POCZĄTKUJĄCYCH

Zgodnie z wcześniejszą zapowiedzią cykl o wzmacniaczach operacyjnych ukazuje się wymiennie z kolejnymi odcinkami na temat

tranzystorów. W najbliższych odcinkach zawarte są wszystkie informacje o tranzystorach polowych potrzebne współczesnemu

elektronikowi−hobbyście.

W podręcznikach można znaleźć opisy co

najmniej sześciu podstawowych rodzajów

tranzystorów polowych – zobacz rysunek 1 .

Nie musisz wiedzieć szczegółowo, jak są

zbudowane. Takie informacje znajdziesz

w szkolnych podręcznikach. Ja chciałbym Ci

przedstawić jedynie zasady działania, naj−

ważniejsze parametry oraz podstawowe ukła−

dy pracy. Przekonasz się, że tranzystory polo−

we mają wiele zalet, a zasady ich stosowania

są bardzo proste. Jestem absolutnie pewny, iż

polubisz te pożyteczne i popularne elementy.

1. złączowe z kanałem n ( JFET N ),

2. z izolowaną bramką, tzw. wzbogacane,

z kanałem n ( MOSFET N ),

3. z izolowaną bramką, tzw. wzbogacane,

z kanałem p ( MOSFET P ).

Na rysunku 2 znajdziesz symbole tych

trzech rodzajów tranzystorów. Tylko te tran−

zystory musisz bliżej poznać i tylko te bę−

dziesz stosował. Natomiast MOSFET−y z ka−

nałem zubożanym nie są dostępne na rynku.

Zauważ, że symbole MOSFET−ów różnią się

od tych z rysunku 1. Spotykane na rynku

MOSFET−y mają trzy wyprowadzenia, a nie

cztery.

To znaczy, że w normalnych warunkach

w obwodzie bramki nie płynie prąd . Tran−

zystor jest otwierany i zamykany pod wpły−

wem napięcia między bramką a źródłem

(oznaczanego U GS ). Jeśli w obwodzie bram−

ki prąd nie płynie, oznacza to, że rezystan−

cja wejściowa wszelkich tranzystorów polo−

wych jest bardzo, bardzo duża, zdecydowa−

nie większa niż bipolarnych, nawet pracują−

cych w roli wtórników emiterowych.

I to jest jedna z głównych zalet wszelkich

“polówek”.

Rys. 1

Rys. 2

N AZWY . W literaturze tranzystor polowy

określa się skrótem FET – Field Effect

Transistor, dosłownie “tranzystor z efektem

polowym”. Tranzystor polowy złączowy to

JFET (J od junction – złącze). Drugi główny

“gatunek” to tranzystory polowe z izolowaną

bramką – MOSFET−y. MOS to skrót od Metal

Oxide Semiconductor (metal−tlenek−półprze−

wodnik) wskazujący, że metalowa bramka

izolowana jest (dwu)tlenkiem krzemu od pół−

przewodnikowego kanału wiodącego prąd.

A oto pierwsza dobra wiadomość: nie

wszystkie spośród sześciu wspomnianych ro−

dzajów są wykorzystywane w praktyce. Spo−

tkasz tylko trzy:

D ZIAŁANIE . Fizyczne podstawy działania

tranzystorów polowych są inne niż bipolar−

nych, niemniej jednak działanie jest podob−

ne. Tranzystor polowy też ma trzy końcówki.

Elektrodę sterującą, odpowiednik bazy, nazy−

wamy bramką (ang. gate) i oznaczamy dużą

literą G. W “zwykłym” tranzystorze bipolar−

nym prąd bazy steruje prądem kolektora.

Czym większy prąd bazy, tym większy prąd

płynie w obwodzie kolektor−emiter. W tran−

zystorze polowym prąd sterowany płynie

w obwodzie dren – źródło (D – drain, odpo−

wiednik kolektora, S – source, odpowiednik

emitera). Co najważniejsze, wszystkie tran−

zystory polowe są sterowane napięciowo.

Tranzystory polowe

złączowe

Praktycznie wszystkie spotykane dziś tranzy−

story polowe złączowe, w skrócie JFET(lub J−

FET) mają kanał typu n (istnieją też złączowe

“polówki” zkanałem p, jednak są używane bar−

dzo rzadko, możesz o nich zapomnieć). Znane

od lat są tranzystory o oznaczeniach BF245

(były produkowane w kraju), BF246, BF247.

Być może na zasadzie analogii z tranzy−

storem bipolarnym intuicja podpowiada Ci,

że przy zerowym napięciu bramka−źródło

(U GS ) tranzystor polowy jest zatkany,

a otwiera się przy zwiększaniu tego napięcia.

Tym razem intuicja Cię zawiodła. JFET−yto

dziwaki. Zapamiętaj raz na zawsze, że TRAN −

ZYSTORY ZŁĄCZOWE PRZY ZEROWYM NAPIĘ −

CIU SĄ OTWARTE – PRZEWODZ Ą (podobnie

Elektronika dla Wszystkich

Podstawy

MOSFET−y z kanałem zubożanym) Aby je

zatkać, trzeba między źródło a bramkę podać

napięcie ujemne. Ilustruje to rysunek 3 .

Gdybyś natomiast na bramkę JFET−apodał

napięcie dodatnie względem źródła, to w ob−

wodzie bramka−źródło zacznie płynąć prąd.

Taki tryb pracy nie jest wykorzystywany

w praktyce, dlatego rysunek 3c jest przekre−

ślony. Tranzystor będzie się wtedy zachowy−

wał tak, jakby między źródłem a bramką była

włączona dioda. Wskazuje zresztą na to strzał−

ka w obwodzie bramki. Rzeczywiście, jak

wskazuje nazwa, tranzystory JFET posiadają

złącze (diodowe), które podczas normalnej

pracy jest spolaryzowane wstecznie − prąd

wtedy nie płynie, a oporność wejściowa jest

bardzo duża. Ilustruje to rysunek 4 , gdzie

obrazowo przedstawiono tranzystor JFET ja−

ko złożenie diody i rezystora. Nie jest to wyo−

brażenie błędne – tranzystor polowy w pierw−

szym przybliżeniu rzeczywiście można sobie

wyobrazić jako rezystor sterowany napięciem.

Natomiast w zakresie bardzo małych na−

pięć dren−źródło, rzędu ±20mV (czyli także

dla małych napięć zmiennych), nachylenie

zależy od napięcia U GS – pokazuje to w po−

większeniu rysunek 5b. A to nachylenie to

nic innego jak... rezystancja. To znaczy, że

dla małych sygnałów zmiennych obwód

dren−źródło jest opornikiem o rezystancji

zależnej od napięcia U GS . Rysunek 7 poka−

zuje tłumik sygnałów audio sterowany napię−

ciem stałym Ureg. Polowe tranzystory złą−

czowe bywają używane w obwodach, gdzie

trzeba napięciowo regulować poziom nie−

wielkich sygnałów zmiennych. Ponieważ za−

kres liniowej pracy “gołego” tranzystora jest

niewielki (±10...±20mV), w praktyce za−

miast prostego regulatora wg rysunku 7b sto−

suje się ulepszony układ ze sprzężeniem

zwrotnym, pokazany na rysunku 7c, który

umożliwia pracę z napięciami rzędu ±50mV,

a nawet więcej (jednak czym większe napię−

cie, tym większe zniekształcenia nieliniowe).

Ze względu na niedoskonałości tłumiki

z FET−ami są obecnie skutecznie wypierane

Rys. 6a

Rys. 3

Rys. 4

Rys. 6b

Podstawowe parametry

W zasadzie nie musisz znać szczegółowych

charakterystyk tranzystorów polowych złą−

czowych. Będziesz je stosował bardzo

rzadko. W razie potrzeby wykorzystasz go−

towy schemat z literatury albo jeden z ukła−

dów podanych w dalszej części artykułu.

Proponuję jednak, żebyś przeanalizował

charakterystyki popularnego tranzystora po−

lowego BF245, pokazane na rysunkach 5 i 6.

Rysunek 5 pokazuje charakterystykę wyj−

ściową, a rysunek 6 charakterystyki przej−

ściowe. Zwróć uwagę, że przy napięciach

dren−źródło większych od 5V prąd drenu

praktycznie nie zależy od napięcia drenu −

charakterystyka na rysunku 5a przebiega po−

ziomo. Jeśli przy zmianach napięcia prąd się

zmienia bardzo mało, to znaczy, że obwód

drenu ma właściwości źródła prądowego –

ma bardzo dużą rezystancję dynamiczną,

podobnie jak obwód kolektorowy zwykłego

tranzystora.

Rys. 5a

przez bardziej złożone regulatory scalone,

w tym potencjometry elektroniczne.

Znacznie ważniejsze jest jednak, byś zro−

zumiał znaczenie charakterystyki z rysunku

6. W przypadku zwykłych, bipolarnych tran−

zystorów poszczególne egzemplarze różniły

się przede wszystkim wartością wzmocnienia

prądowego, natomiast napięcie baza−emiter,

potrzebne do otwarcia tranzystora we wszy−

stkich tranzystorach, jest praktycznie takie

samo. Zupełnie inaczej jest w przypadku

omawianych tranzystorów polowych. Tu na−

pięcie, przy którym tranzystor zaczyna się

otwierać, bardzo różni się dla poszczegól−

nych egzemplarzy − zwróć uwagę, że na ry−

sunku 6b zaznaczyłem kolorem czarnym ty−

powe charakterystyki przejściowe tranzysto−

rów BF245 z grup A, B, C oraz kolorem

czerwonym charakterystyki jakichś pięciu

konkretnych egzemplarzy tranzystorów

JFET. Poszczególne egzemplarze różnią się

zarówno napięciem U GS0 , przy którym zaczy−

na płynąć prąd, prądem drenu I DSS (przy ze−

rowym napięciu U GS ), jak też nachyleniem

charakterystyki.

Rys. 5b

Elektronika dla Wszystkich

Podstawy

Jednym z podstawowych parametrów

tranzystora polowego złączowego jest napię−

cie bramka−źródło, przy którym zaczyna

się on otwierać . To napięcie progu otwiera−

nia (napięcie odcięcia) oznaczane jest w ka−

talogach U GSO i dla spotykanych na rynku

tranzystorów JFET wynosi –10V...−0,5V. Na−

pięcie to można bardzo łatwo zmierzyć

w układzie z rysunku 8 .

dzę Ci jednak sprawdzać złączowych polówek

w ten sposób. Są to delikatne tranzystory i ła−

dunki statyczne mogą je uszkodzić właśnie

podczas takich prób. Złą sławą pod tym

względem cieszyły się popularne BF245 kra−

jowej produkcji. Przy nieostrożnym obcho−

dzeniu się z nimi nawet połowa potrafiła się

uszkodzić jeszcze przed wlutowaniem

w układ. Przy wszelkich kontaktach z małymi

polówkami zachowaj ostrożność: połóż na

blacie stołu metalową uziemioną blachę, co ja−

w amperach na wolt (A/V), czyli w milisimen−

sach (mS) lub simensach (S). A że siemens to

odwrotność oma (ohm), wliteraturze często za−

miast mA/V, mS czy S spotkasz dowcipny

skrót mmho lub mho. Ogólnie biorąc, czym

większa wartość transkonduktancji i wyższe

napięcie odcięcia U GSO , tym lepszy tranzystor.

W katalogach znajdziesz wartości trans−

konduktancji tranzystorów. Słusznie się do−

myślasz, że występuje tu duży rozrzut pomię−

dzy egzemplarzami, nawet pochodzącymi

z tej samej serii produkcyjnej. Zresztą często

tranzystory JFET dzielone są na grupy, róż−

niące się wartościami napięcia odcięcia iprą−

du nasycenia drenu. Przykładem jest popu−

larny niegdyś BF245. Tranzystory są selek−

cjonowane pod względem prądu I DSS

BF245A: 2...6,5mA

BF245B: 6...15mA

BF245C: 12...25mA.

W katalogach znajdziesz też maksymalne

napięcie dren−źródło, maksymalną moc strat,

nie ma natomiast dopuszczalnego prądu dre−

nu. Jeśli jeszcze tego nie zauważyłeś, zauważ

teraz – w polówkach złączowych nie można

dowolnie zwiększyć prądu drenu . Jest on

ograniczony i przy zwarciu bramki ze

źródłem (U GS =0) przyjmuje maksymalną

wartość równą I DSS . Nie możesz go zwięk−

szyć, bo podając dodatnie napięcie na bram−

kę spowodowałbyś przepływ prądu bramki

i straciłbyś zalety tego tranzystora.

Jak wskazuje rysunek 6, w trakcie normal−

nej pracy napięcie bramka−źródło powinno

być ujemne lub co najwyżej równe zeru. Mo−

że to Ci się wydać dużym utrudnieniem, bo ni−

by skąd wziąć w prostym układzie, zasilanym

z baterii, ujemne napięcie. Stop, nie tak szyb−

ko, znów intuicja Cię zwiodła. Akto mówi, że

potrzebne jest ujemne napięcie zasilania?

Zamiast obniżać napięcie bramki, można

przecież podwyższyć napięcie źródła, jak po−

kazuje rysunek 11a . Nie trzeba też stosować

dodatkowego źródła – można sprytnie wyko−

rzystać spadek napięcia na rezystorze, jak po−

kazuje rysunek 11b . Wartość tego rezystora

(0...10k

Rys. 7

Drugim istotnym parametrem tranzysto−

rów złączowych jest

prąd nasycenia drenu

przy zerowym napię−

ciu U GS , czyli przy ma−

ksymalnym otwarciu

tranzystora, oznaczany

I DSS . Jak widać z rysun−

ku 6, również tu rozrzut

między egzemplarzami

jest duży.

Prąd nasycenia danego egzemplarza moż−

na zmierzyć w układzie według rysunku 9a ,

ale można także wg rysunku 9b . Różnica

w układach pomiarowych z rysunków 8

i 9b polega na tym, że woltomierz ma bardzo

dużą rezystancję wewnętrzną, np. 10M

Rys. 8

kiś czas dotykaj rury wodociągowej (uziemie−

nia), żeby rozładować swe ciało; nie zaszko−

dziłoby też uziemienie grota lutownicy.

Zwróć jeszcze uwagę na nachylenie charak−

terystyki przejściowej z rysunku 6. Wcześniej

dowiedziałeś się, że nachylenie charakterystyki

z rysunku 5 to jakiś rodzaj oporu – przecież na

jednej osi miałeś napięcie dren−źródło, na dru−

giej prąd drenu. Stosunek napięcia do prądu to

rezystancja – w tym wypadku jest to rezystan−

cja wyjściowa lub inaczej rezystancja wewnę−

trzna tranzystora. Na rysunku 6 na jednej osi

masz prąd drenu, na drugiej napięcie bramka−

źródło. Czy można tu mówić o jakimś wzmoc−

nieniu? W tranzystorze bipolarnym mamy zro−

zumiały parametr − wzmocnienie prądowe, czy−

li stosunek prądu kolektora do prądu bazy.

Atu? Stosunek prądu do napięcia...

a płynący przezeń prąd jest bardzo mały, na−

tomiast amperomierz ma mały, bliski zeru

opór wewnętrzny, wobec czego źródło tran−

zystora jest praktycznie zwarte do masy

(i nadal jest to układ z rysunku 3b). W prak−

tyce znaczy to, że wtym samym układzie po−

miarowym można zmierzyć oba kluczowe

parametry JFET−a przełączając multimetr.

Rys. 10

) wyznacza prąd płynący przez

tranzystor. Taki sposób (auto)polaryzacji

znany jest od wielu lat, kiedyś powszechnie

stosowany był w układach lampowych. Przy

okazji wyszło na jaw, że tranzystory polowe

złączowe z kanałem n mają podobne właści−

wości jak lampy próżniowe (triody).

Tranzystory polowe także mogą pracować

w układach ze wspólnym źródłem, wspól−

nym drenem i wspólną bramką, analogicznie

jak zwykłe tranzystory pracują wukładach ze

wspólnym emiterem, wspólnym kolektorem

i wspólną bazą – zobacz rysunek 12 . Nie bę−

dziemy wgłębiać się w szczegóły, ponieważ

nigdy Ci się to nie przyda. Wpraktyce bywa−

ją wykorzystywane proste układy z rysunku

13 : źródło prądowe oraz wtórniki mające bar−

dzo dużą rezystancję wejściową.

Rys. 9

Rysunek 10 pomoże Ci wprzypadku, gdy−

byś koniecznie chciał sprawdzać takie tranzy−

story za pomocą omomierza. Jak widzisz,

miedzy drenem aźródłem oporność jest wobu

kierunkach mała, natomiast między bramką

a drenem lub źródłem masz zwyczajną diodę,

która przewodzi w jednym kierunku. Nie ra−

Zastanów się...

Zauważ, że nachylenie określa przyrost

prądu drenu pod wpływem przyrostu na−

pięcia sterującego U GS . To nachylenie jest

więc odpowiednikiem wzmocnienia prądowe−

go ze zwykłych tranzystorów. Jednak nie na−

zywamy tego ani wzmocnieniem, ani czuło−

ścią – jest to tak zwana (nie bój się!) TRANS−

KONDUKTANCJA . Transkonduktancja wy−

rażana jest wmiliamperach na wolt (mA/V) lub

Elektronika dla Wszystkich

Podstawy

Rezystancja wejściowa układów jest rów−

na rezystancji R1. R1 może mieć wartość od

Wtórnik

ze źródłem

prądowym

Rys. 11

Rys. 13

dwóch identycznych tranzystorów. Takie ele−

menty, zawierające wjednej obudowie dwa bli−

źniacze tranzystory FET są dostępne. Prawie

każdy oscyloskop ma na wejściu taki wtórnik.

Ijeszcze jedna ważna uwaga − ze względu

na swą specyficzną budowę, w tranzystorach

złączowych można bezkarnie zamieniać

miejscami końcówki drenu i źródła – właści−

wości układu będą takie same.

Tyle otranzystorach polowych złączowych.

Rys. 12

Piotr Górecki

Szczególnie dobre właściwości (szerokie

pasmo, jednakowe napięcie stałe na wejściu

i wyjściu, stabilność cieplna) ma wtórnik z ry−

sunku 13d pod warunkiem zastosowania

Elektronika dla Wszystkich

...100M

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: