Tranzystory+polowe 2c+cz.+21.pdf

(411 KB) Pobierz
4542426 UNPDF
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
80
Elektronika dla Wszystkich
4542426.050.png
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
81
4542426.054.png 4542426.055.png 4542426.056.png 4542426.001.png 4542426.002.png 4542426.003.png 4542426.004.png 4542426.005.png 4542426.006.png 4542426.007.png 4542426.008.png 4542426.009.png 4542426.010.png 4542426.011.png 4542426.012.png 4542426.013.png 4542426.014.png 4542426.015.png 4542426.016.png 4542426.017.png 4542426.018.png 4542426.019.png 4542426.020.png 4542426.021.png
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
82
Elektronika dla Wszystkich
4542426.022.png 4542426.023.png 4542426.024.png 4542426.025.png 4542426.026.png 4542426.027.png 4542426.028.png 4542426.029.png 4542426.030.png 4542426.031.png 4542426.032.png 4542426.033.png 4542426.034.png 4542426.035.png 4542426.036.png 4542426.037.png 4542426.038.png 4542426.039.png 4542426.040.png 4542426.041.png 4542426.042.png 4542426.043.png 4542426.044.png 4542426.045.png 4542426.046.png
 
Podstawy
Rezystancja wejściowa układów jest rów−
na rezystancji R1. R1 może mieć wartość od
1k
.
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
83
...100M
4542426.047.png 4542426.048.png 4542426.049.png 4542426.051.png 4542426.052.png 4542426.053.png
Zgłoś jeśli naruszono regulamin