W poprzedniej, dziesiątej części cyklu omawialiśmy ostatnie zagadnienia związane z analizą kart katalogowych tranzystorów bipolarnych. Omówiliśmy elementy o małej i dużej mocy, a także tranzystory o specjalnych zastosowaniach, takie jak tzw. tranzystory Darlingtona.
'Problemem' tranzystorów bipolarnych (BJT), które opisywaliśmy w poprzednich trzech częściach było to, iż sterowane one były prądem. Inny rodzaj tranzystorów - tranzystory polowe (Field Effect Transistor - FET) pozbawiony jest tej 'wady' - sterowany jest napięciem. W tej i kolejnej części przyjrzymy się tego rodzaju elementom i ich kartom katalogowym.
Czym w ogóle jest tranzystor FET i czym różni się od BJT? Na Wikipedii znajdziemy całkiem dobre wprowadzenie do tranzystorów FET - ich budowa, historia i rodzaj podział na poszczególne rodzaje tranzystorów polowych. Istnieje wiele rodzajów tranzystorów FET, na szczęście większość z nich dedykowana jest do różnych niszowych zastosowań. Podstawowe, najczęściej spotykane tranzystory polowe to elementy JFETy (złączowe FETy) i MOSFETYy (FETy metal-tlenek-półprzewodnik). Dostępne są także elementy IGBT czy DEPFET, jednakże nimi nie będziemy zajmować się w poniższym artykule.
Najczęściej wykorzystuje się tranzystory MOSFET. Podobnie jak w przypadku elementów bipolarnych występują one w dwóch podstawowych rodzajach - z kanałem typu N oraz typu P.
Tranzystory polowe wykorzystuje się także do produkcji układów scalonych. Niemalże wszystkie są one oparte o technologię CMOS - komplementarnych tranzystorów MOSFET. W tej aplikacji tranzystor z kanałem typu N i typu P połączone są tak, by stworzyć podstawową bramkę logiczną. Przykład takiej bramki pokazano po lewej stronie. Daje to ogromne zalety w postaci niskiego poboru prądu przez te układy.
Zanim przystąpimy do głębszej analizy schematu pokazanego po lewej stronie, spróbujcie zgadnąć jakiego typu bramkę logiczną on przedstawia. W międzyczasie zajmijmy się analizą karty katalogowej przykładowych tranzystorów MOSFET niskiej mocy. Wyszukanie komplementarnej pary tranzystorów polowych małej mocy nie było jednak takie proste. jak dla tranzystorów bipolarnych. W końcu udało się znaleźć odpowiednią parę, produkowanych przez Microchipa elementów: TN2106 (MOSFET z kanałem typu N) oraz TN2104 (MOSFET z kanałem typu P).
Jak zwykle sugerujemy, aby otworzyć sobie te karty katalogowe lub wręcz je wydrukować - znacznie ułatwi to nam ich analizę w trakcie czytania tego artykułu.
Pierwsze co może rzucić nam się w oczy, to logo firmy Supertex - została ona zakupiona przez Microchipa w 2014, ale ten nie zadał sobie trudu, by je rebrandować. Oryginalnym producentem tych tranzystorów była firma Supertex. Dodatkowo, jeśli spróbujemy znaleźć informacje o tych elementach na stronie Microchipa, to o ile nie znamy dokładnych nazw elementów, to się nam to nie uda. nie wróży to dobrze, jeśli szukamy elementów, co do których chcemy mieć pewność, że jeszcze co najmniej jakiś czas dostępne będą w handlu.
Na pierwszej stronie kart katalogowych widzimy, iż elementy te dostępne są w dwóch obudowach - TO-92 do montażu przewlekanego oraz SOT-23 do montażu powierzchniowego (SMD). Widzimy także, że elementy te różnią się istotnie parametrami BVDSS oraz RDS(ON) - nie są tak dobrze dopasowaną do siebie parą, jak tranzystory BJT, które omawialiśmy. Taka sytuacja jest dosyć częsta wśród tranzystorów tego rodzaju; wynika to z różnic w mobilności nośników - w półprzewodnikach domieszkowanych do typu N jest ona o wiele wyższa, niż w półprzewodnikach o domieszce typu P. Z tego faktu wynika także to, iż dla danego poziomu prądu prościej i taniej produkuje się elementy typu N niż ekwiwalenty typu P.
Jeśli nie jesteś zaznajomiony z tranzystorami MOSFET, skróty używane w karcie katalogowej i powyższym akapicie mogą wydawać się mało zrozumiałe. Podobne skróty znajdziemy w tabeli zbierającej maksymalne parametry pracy opisywanych MOSFETów, którą także znajdziemy na pierwszych stronach tych dokumentów. Widzimy tam napięcia BVDSS oraz BVDGS, to napięcia przebicia. Kolejne dwa istotne parametry - RDS(ON) praz VGS(th) zdefiniowane są na stronie drugiej - są to, odpowiednio, rezystancja kanału w pełni otwartego tranzystora oraz oraz progowe napięcie bramka-źródło, dla którego kanał tranzystora zaczyna się otwierać (zaczyna przewodzić).
Na drugiej stronie możemy znaleźć także termiczne parametry układu. Widzimy na górze drugiej strony tabelę z zebranymi wszystkimi parametrami. Potwierdzają one, że mamy do czynienia z układem niewielkiej mocy - rezystancja termiczna jest dosyć wysoka, a maksymalna rozpraszana moc niewielka. Parametry te są identyczne dla obu tranzystorów - z kanałem typu N i typu P. Różnią się one natomiast maksymalnym dopuszczalnym prądem drenu - dla tranzystora z kanałem typu N jest on zauważalnie większy. Jest to w pełni spójne z parametrami RDS(ON) tych tranzystorów - element z kanałem typu P ma tą rezystancję zauważalnie większą.
Ale czym w sumie jest rezystancja RDS(ON) i dla jakich parametrów jest ona podawana? Jak pisaliśmy powyżej, jest to rezystancja kanału układu w momencie, gdy MOSFET jest w pełni włączony, ale co to znaczy? Musimy uściślić trochę terminologii.
W przypadku tranzystorów BJT, mówimy o saturacji elementu, gdy jest on w pełni włączony. Dla takiego stanu definiuje się minimalny spadek napięcia na tranzystorze. Niestety, terminologia dotycząca tranzystorów polowych jest inna. Tranzystor polowy, gdy jest w pełni włączony, pracuje w tak zwanym regionie triodowym swojej charakterystyki (zwanym także omowym lub po prostu liniowym). W przypadku tranzystorów BJT spadek napięcia, podawany jako minimalny, tj. w stanie nasycenia, wcale nie jest najmniejszy - gdy tranzystor bipolarny jest nasycony, to spadek napięcia na nim jest większy niż w innych regionach charakterystyki. Dlatego też lepiej mówić o stanach ON i OFF - włączonym i wyłączonym - w przypadku tranzystora MOSFET. W ten sposób unikniemy jakichkolwiek nieporozumień i problemów z terminologią.
Jeśli chodzi o problemy z terminologią, to idąc dalej - na stronie 3 (dla TN2106) lub stronie 4 (dla TN2104) widzimy wykresy podpisane jako charakterystyka nasycenia, ale pokazują one fragment krzywej dla regionu triodowego. Sami producenci nie pomagają nam w rozjaśnieniu zawiłości terminologii do opisu tych elementów.
Wracając do RDS(ON) - jeśli spojrzymy na wykresy podpisane jako charakterystyka nasycenia, widzimy że wraz z zbliżaniem się do napięcia równego zero każda z krzywych przechodzi przez obszar, który est w przybliżeniu liniowy. Odwrotność nachylenia tej krzywej to właśnie rezystancja RDS(ON) (zgodnie z prawem Ohma). Na tych wykresach widzimy cały szereg krzywych, które - jak wskazuje opis - różnią się napięciem bramka-źródło (VGS). Oznacza to, że rezystancja RDS(ON) zależna jest od VGS. Jeśli teraz wrócimy na stronę drugą, widzimy, że RDS(ON) podawany jest dla dwóch napięć VGS. Dla tranzystora TN2106 pierwsza wartość wynosi 5 Ω przy VGS = 4,5 V oraz 2,4 Ω przy VGS = 10 V (analogicznie dla tranzystora z kanałem typu P wartości te wynoszą 10 Ω przy VGS = 4,5 V praz 6 Ω przy VGS = 10 V). Wszystkie te parametry zgadzają się z tym, co możemy odczytać z wykresów w karcie katalogowej. Jeśli jednak wrócimy do tabeli z maksymalnymi parametrami, to widzimy, że podana jest tylko mniejsza z dwóch rezystancji RDS(ON).
Jest to trochę rozczarowujące, że maksymalna rezystancja RDS(ON) w tabeli to ten "lepszy scenariusz". Załóżmy, że chcemy sterować tymi tranzystorami z poziomu mikrokontrolera, więc raczej nie przekroczymy napięcia 5 V na bramce. W takiej sytuacji w naszym układzie raczej wyższa z dwóch podanych wartości RDS(ON) będzie bliższa rzeczywistości. Jeśli projektowalibyśmy układ w oparciu tylko o dane z pierwszych dwóch stron karty katalogowej, to moglibyśmy być trochę rozczarowani jego działaniem, jednakże to byłaby nasza wina - nie zweryfikowaliśmy danych z pierwszej strony dokładniejszymi danymi z dalszej części karty katalogowej.
Wiedząc teraz ile wynosi RDS(ON) naszego tranzystora w naszej aplikacji możemy policzyć ile mocy będzie się na nim rozpraszało w czasie pełnego otwarcia. Jako że P = I x V, a napięcie na tranzystorze MOSFET (spadek napięcia) wynosi V = I x RDS(ON) to P = I² x RDS(ON). Jeśli chcemy teraz sterować z pomocą naszego 5 V mikrokontrolera obciążeniem pobierającym 200 mA otrzymujemy: P = (200 mA)² x 5 Ω = 200 mW dla elementu z kanałem typu N. Moc ta jest w zakresie pracy tego tranzystora, więc bez problemu możemy zastosować go w naszej aplikacji.
Trzeba przyznać, że parametry tego tranzystora są dalekie od imponujących. Z pewnością, nawet do tej aplikacji, możliwe było znalezienie lepszego elementu. Macie może jakieś swoje propozycje?
Jeśli chodzi natomiast o układ tranzystorów z schematu powyżej, to myślę, że spojrzenie na wyniki symulacji (po prawej) rozjaśni jaka to bramka - to NAND.
To tyle gwoli wprowadzenia do tranzystorów polowych oraz omówienia tranzystorów MOSFET małej mocy. W kolejnej części omówimy karty katalogowe tranzystorów tego rodzaju o większej mocy, a póki co zapraszam do komentowania artykułu i zadawania pytań do tematu.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-field-effect-transistors-fets
'Problemem' tranzystorów bipolarnych (BJT), które opisywaliśmy w poprzednich trzech częściach było to, iż sterowane one były prądem. Inny rodzaj tranzystorów - tranzystory polowe (Field Effect Transistor - FET) pozbawiony jest tej 'wady' - sterowany jest napięciem. W tej i kolejnej części przyjrzymy się tego rodzaju elementom i ich kartom katalogowym.
Czym w ogóle jest tranzystor FET i czym różni się od BJT? Na Wikipedii znajdziemy całkiem dobre wprowadzenie do tranzystorów FET - ich budowa, historia i rodzaj podział na poszczególne rodzaje tranzystorów polowych. Istnieje wiele rodzajów tranzystorów FET, na szczęście większość z nich dedykowana jest do różnych niszowych zastosowań. Podstawowe, najczęściej spotykane tranzystory polowe to elementy JFETy (złączowe FETy) i MOSFETYy (FETy metal-tlenek-półprzewodnik). Dostępne są także elementy IGBT czy DEPFET, jednakże nimi nie będziemy zajmować się w poniższym artykule.
Najczęściej wykorzystuje się tranzystory MOSFET. Podobnie jak w przypadku elementów bipolarnych występują one w dwóch podstawowych rodzajach - z kanałem typu N oraz typu P.
Tranzystory polowe wykorzystuje się także do produkcji układów scalonych. Niemalże wszystkie są one oparte o technologię CMOS - komplementarnych tranzystorów MOSFET. W tej aplikacji tranzystor z kanałem typu N i typu P połączone są tak, by stworzyć podstawową bramkę logiczną. Przykład takiej bramki pokazano po lewej stronie. Daje to ogromne zalety w postaci niskiego poboru prądu przez te układy.
Zanim przystąpimy do głębszej analizy schematu pokazanego po lewej stronie, spróbujcie zgadnąć jakiego typu bramkę logiczną on przedstawia. W międzyczasie zajmijmy się analizą karty katalogowej przykładowych tranzystorów MOSFET niskiej mocy. Wyszukanie komplementarnej pary tranzystorów polowych małej mocy nie było jednak takie proste. jak dla tranzystorów bipolarnych. W końcu udało się znaleźć odpowiednią parę, produkowanych przez Microchipa elementów: TN2106 (MOSFET z kanałem typu N) oraz TN2104 (MOSFET z kanałem typu P).
Jak zwykle sugerujemy, aby otworzyć sobie te karty katalogowe lub wręcz je wydrukować - znacznie ułatwi to nam ich analizę w trakcie czytania tego artykułu.
Pierwsze co może rzucić nam się w oczy, to logo firmy Supertex - została ona zakupiona przez Microchipa w 2014, ale ten nie zadał sobie trudu, by je rebrandować. Oryginalnym producentem tych tranzystorów była firma Supertex. Dodatkowo, jeśli spróbujemy znaleźć informacje o tych elementach na stronie Microchipa, to o ile nie znamy dokładnych nazw elementów, to się nam to nie uda. nie wróży to dobrze, jeśli szukamy elementów, co do których chcemy mieć pewność, że jeszcze co najmniej jakiś czas dostępne będą w handlu.
Na pierwszej stronie kart katalogowych widzimy, iż elementy te dostępne są w dwóch obudowach - TO-92 do montażu przewlekanego oraz SOT-23 do montażu powierzchniowego (SMD). Widzimy także, że elementy te różnią się istotnie parametrami BVDSS oraz RDS(ON) - nie są tak dobrze dopasowaną do siebie parą, jak tranzystory BJT, które omawialiśmy. Taka sytuacja jest dosyć częsta wśród tranzystorów tego rodzaju; wynika to z różnic w mobilności nośników - w półprzewodnikach domieszkowanych do typu N jest ona o wiele wyższa, niż w półprzewodnikach o domieszce typu P. Z tego faktu wynika także to, iż dla danego poziomu prądu prościej i taniej produkuje się elementy typu N niż ekwiwalenty typu P.
Jeśli nie jesteś zaznajomiony z tranzystorami MOSFET, skróty używane w karcie katalogowej i powyższym akapicie mogą wydawać się mało zrozumiałe. Podobne skróty znajdziemy w tabeli zbierającej maksymalne parametry pracy opisywanych MOSFETów, którą także znajdziemy na pierwszych stronach tych dokumentów. Widzimy tam napięcia BVDSS oraz BVDGS, to napięcia przebicia. Kolejne dwa istotne parametry - RDS(ON) praz VGS(th) zdefiniowane są na stronie drugiej - są to, odpowiednio, rezystancja kanału w pełni otwartego tranzystora oraz oraz progowe napięcie bramka-źródło, dla którego kanał tranzystora zaczyna się otwierać (zaczyna przewodzić).
Na drugiej stronie możemy znaleźć także termiczne parametry układu. Widzimy na górze drugiej strony tabelę z zebranymi wszystkimi parametrami. Potwierdzają one, że mamy do czynienia z układem niewielkiej mocy - rezystancja termiczna jest dosyć wysoka, a maksymalna rozpraszana moc niewielka. Parametry te są identyczne dla obu tranzystorów - z kanałem typu N i typu P. Różnią się one natomiast maksymalnym dopuszczalnym prądem drenu - dla tranzystora z kanałem typu N jest on zauważalnie większy. Jest to w pełni spójne z parametrami RDS(ON) tych tranzystorów - element z kanałem typu P ma tą rezystancję zauważalnie większą.
Ale czym w sumie jest rezystancja RDS(ON) i dla jakich parametrów jest ona podawana? Jak pisaliśmy powyżej, jest to rezystancja kanału układu w momencie, gdy MOSFET jest w pełni włączony, ale co to znaczy? Musimy uściślić trochę terminologii.
W przypadku tranzystorów BJT, mówimy o saturacji elementu, gdy jest on w pełni włączony. Dla takiego stanu definiuje się minimalny spadek napięcia na tranzystorze. Niestety, terminologia dotycząca tranzystorów polowych jest inna. Tranzystor polowy, gdy jest w pełni włączony, pracuje w tak zwanym regionie triodowym swojej charakterystyki (zwanym także omowym lub po prostu liniowym). W przypadku tranzystorów BJT spadek napięcia, podawany jako minimalny, tj. w stanie nasycenia, wcale nie jest najmniejszy - gdy tranzystor bipolarny jest nasycony, to spadek napięcia na nim jest większy niż w innych regionach charakterystyki. Dlatego też lepiej mówić o stanach ON i OFF - włączonym i wyłączonym - w przypadku tranzystora MOSFET. W ten sposób unikniemy jakichkolwiek nieporozumień i problemów z terminologią.
Jeśli chodzi o problemy z terminologią, to idąc dalej - na stronie 3 (dla TN2106) lub stronie 4 (dla TN2104) widzimy wykresy podpisane jako charakterystyka nasycenia, ale pokazują one fragment krzywej dla regionu triodowego. Sami producenci nie pomagają nam w rozjaśnieniu zawiłości terminologii do opisu tych elementów.
Wracając do RDS(ON) - jeśli spojrzymy na wykresy podpisane jako charakterystyka nasycenia, widzimy że wraz z zbliżaniem się do napięcia równego zero każda z krzywych przechodzi przez obszar, który est w przybliżeniu liniowy. Odwrotność nachylenia tej krzywej to właśnie rezystancja RDS(ON) (zgodnie z prawem Ohma). Na tych wykresach widzimy cały szereg krzywych, które - jak wskazuje opis - różnią się napięciem bramka-źródło (VGS). Oznacza to, że rezystancja RDS(ON) zależna jest od VGS. Jeśli teraz wrócimy na stronę drugą, widzimy, że RDS(ON) podawany jest dla dwóch napięć VGS. Dla tranzystora TN2106 pierwsza wartość wynosi 5 Ω przy VGS = 4,5 V oraz 2,4 Ω przy VGS = 10 V (analogicznie dla tranzystora z kanałem typu P wartości te wynoszą 10 Ω przy VGS = 4,5 V praz 6 Ω przy VGS = 10 V). Wszystkie te parametry zgadzają się z tym, co możemy odczytać z wykresów w karcie katalogowej. Jeśli jednak wrócimy do tabeli z maksymalnymi parametrami, to widzimy, że podana jest tylko mniejsza z dwóch rezystancji RDS(ON).
Jest to trochę rozczarowujące, że maksymalna rezystancja RDS(ON) w tabeli to ten "lepszy scenariusz". Załóżmy, że chcemy sterować tymi tranzystorami z poziomu mikrokontrolera, więc raczej nie przekroczymy napięcia 5 V na bramce. W takiej sytuacji w naszym układzie raczej wyższa z dwóch podanych wartości RDS(ON) będzie bliższa rzeczywistości. Jeśli projektowalibyśmy układ w oparciu tylko o dane z pierwszych dwóch stron karty katalogowej, to moglibyśmy być trochę rozczarowani jego działaniem, jednakże to byłaby nasza wina - nie zweryfikowaliśmy danych z pierwszej strony dokładniejszymi danymi z dalszej części karty katalogowej.
Wiedząc teraz ile wynosi RDS(ON) naszego tranzystora w naszej aplikacji możemy policzyć ile mocy będzie się na nim rozpraszało w czasie pełnego otwarcia. Jako że P = I x V, a napięcie na tranzystorze MOSFET (spadek napięcia) wynosi V = I x RDS(ON) to P = I² x RDS(ON). Jeśli chcemy teraz sterować z pomocą naszego 5 V mikrokontrolera obciążeniem pobierającym 200 mA otrzymujemy: P = (200 mA)² x 5 Ω = 200 mW dla elementu z kanałem typu N. Moc ta jest w zakresie pracy tego tranzystora, więc bez problemu możemy zastosować go w naszej aplikacji.
Trzeba przyznać, że parametry tego tranzystora są dalekie od imponujących. Z pewnością, nawet do tej aplikacji, możliwe było znalezienie lepszego elementu. Macie może jakieś swoje propozycje?
Jeśli chodzi natomiast o układ tranzystorów z schematu powyżej, to myślę, że spojrzenie na wyniki symulacji (po prawej) rozjaśni jaka to bramka - to NAND.
To tyle gwoli wprowadzenia do tranzystorów polowych oraz omówienia tranzystorów MOSFET małej mocy. W kolejnej części omówimy karty katalogowe tranzystorów tego rodzaju o większej mocy, a póki co zapraszam do komentowania artykułu i zadawania pytań do tematu.
Źródło: https://www.eeweb.com/profile/elizabeth-simon/articles/how-to-read-data-sheets-field-effect-transistors-fets
Fajne? Ranking DIY
