Tranzystory poloe 3, elektronika
[ Pobierz całość w formacie 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
80
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
81
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
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
[ Pobierz całość w formacie PDF ]