Więc nie wiem gdzie szukać w datasheet tych informacji. Szukaj najpierw w internecie; wpisz np.: diody parametry na Elektrodzie też sporo na ten temat; wpisz np.: 1N4007
Praktyki 2006
Prezentację przygotował
Robert Lasko
Plan Prezentacji
Diody
Parametry
Rodzaje
Obudowy
Prostowniki
Mostek prostowniczy
Przykłady mostków
Obudowy mostków
Tranzystory bipolarne
Parametry i charakterystyki
Zastosowanie
Tranzystory IGBT
Tranzystory polowe
Tranzystory JFET
Tranzystory MOSFET
Radiotory
Teoria
Dobór odpowiedniego radiatora
DIODY
Parametry diod
Dioda półprzewodnikowa
Oznaczenie diody sugeruje kierunek przepływu prądu przy
polaryzacji w kierunku przewodzenia.
Charakterystyka diody
Kierunek
przewodzenia
Kierunek zaporowy
Wpływ temperatury na pracę diody
Napięcie przewodzenia w dużym
stopniu zależy od temperatury.
Napięcie przewodzenia maleje
wraz ze wzrostem temperatury o
2,2mV.
Wykorzystanie do pomiaru
temperatury oraz do
logarytmowania
(przeprowadzania operacji
matematycznych na sygnałach
analogowych).
Dopuszczalne straty mocy
Czynnik ograniczający możliwość
użytkowania diody: nagrzewanie,
wskutek wydzielania się na niej
mocy.
Temperatura diod krzemowych nie
powinna przekraczać 150ºC.
Maksymalną dopuszczalną moc
strat powinno się przestrzegać z
dużym zapasem.
Parametry diod
Podstawowe parametry oraz ich dopuszczalne wartości:
• Napięcie przebicia złącza – 1500V dla krzemu
• Wartość napięcia UF, dla krzemu wynosi 0.7V, dla germanu 0.3V
• Dopuszczalna temperatura złącza: 75 ºC dla germanu 150 – 200 ºC dla krzemu
• Rezystancja termiczna Rthja i Rthjc
Niektóre punkty charakterystyki statycznej:
• Wartość napięcia przewodzenia odpowiadająca określonej wartości prądu
• Wartość prądu wstecznego przy polaryzacji określonym napięciem
Parametry dynamiczne:
• Pojemność diody Cr spolaryzowanej w kierunku zaporowym
• trr – czas przechodzenia ze stanu przewodzenia do stanu zaporowego
Pomiar diod
Mierzymy oporność złącza w obu kierunkach jak
na rysunku. Raz mamy małą oporność, a raz
dużą.
Gdy mamy już gotowy układ zaczynamy mierzyć
spadek napięcia na diodzie.
Dioda krzemowa:
spadek napięcia ok. 0,5 do 0,7V.
Dioda germanowa:
spadek napięcia ok. 0,2 do 0,5V.
Rodzaje diod
Diody prostownicze
Funkcja: prostowanie przebiegów przemiennych - najważniejszy element
układów zasilających.
Praca przy częstotliwościach sieciowych rzędu 50Hz.
Przepływ prądu o wartościach powyżej 10A, wymaga zastosowania radiatora.
Parametry diod prostowniczych określane są ich parametrami granicznymi:
• IFN – średni prąd przewodzenia – prąd stały pobierany z prostownika
• IFRM – powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia
• IFSM – niepowtarzalny szczytowy prąd przewodzenia, uwaga na proces załączenia prostownika!
• URWM – maksymalne napięcie wsteczne pracy
• URRM – powtarzalne szczytowe napięcie wsteczne
• URSM – niepowtarzalne szczytowe napięcie wsteczne
• Rth – rezystancja termiczna podawana w przypadku dużych prądów
Zastosowania diod prostowniczych
• szeregowe
łączenie diod – w wypadku, kiedy wymagana
wartość napięcia wstecznego przekracza UR pojedynczej diody
• ograniczniki diodowe, obcinacze napięcia
• bramki diodowe
• zabezpieczenia diodowe: ochrona wejść wzmacniaczy
operacyjnych i układów scalonych, tłumienie przepięć
wywołanych w chwili otwarcia obwodu zwierającego cewkę
indukcyjną
Przykłady diod prostowniczych
Nazwa
diody
VRRM [V]
IR[uA] dla
VRRM
VF [V] dla IF =
1A
tRR
[us]
1N4001
50
5
1
-
1N4002
100
10
1,1
30
1N4007
1000
10
1,1
30
Nazwa diody
VRRM [V]
IR[uA] dla
VRRM
VF [V] dla IF =
3A
IAV [A]
1N5401
100
20
1,2
3
1N5407
800
20
1,2
3
Nazwa
diody
VRRM [V]
IR[mA] dla
VRRM
VF [V] dla IF =
30A
IAV [A]
60EPS08
800
-
1
60
41HF40
400
15
1,3
40
Popularne
diody małej
mocy
Popularne
diody średniej
mocy,
Przykładowe
diody dużej
mocy.
Diody Zenera
Praca przy polaryzacji w kierunku
zaporowym wykorzystując dużą stromość
charakterystyki prądowo napięciowej.
Po szeregowym włączeniu rezystora
uniezależniamy napięcie na diodzie od
zmian napięcia zasilającego oraz prądu
obciążenia
– cecha stabilizatora napięcia.
Wada diod Zenera: duży poziom szumów.
Są one zmniejszane przez blokowanie diody
kondensatorem o pojemności kilkudziesięciu nF.
Parametry diod Zenera
UZ – średnia wartość napięcia stabilizowanego: 3 V do kilkuset Voltów
PMAX – maksymalna dopuszczalna moc strat. Popularne moce: 300mW, 1W,
5W.
Dopuszczalna tolerancja napięcia stabilizowanego wyrażana w %.
IZMAX = PMAX / UZ – maksymalny prąd diody stabilizacyjnej, którego nie
wolno przekroczyć.
TWU – temperaturowy współczynnik napięcia. Jego wartość dla diod o UZ z
przedziału 5-7V jest zbliżona do 0 - stabilizatory napięcia odniesienia.
rD – rezystancja dynamiczna określająca właściwości stabilizujące diody. Im
jest ona mniejsza tym lepsza stabilizacja napięcia.
Typowa wartość rD – kilkadziesiąt Ω.
Wpływ UZ na TW UZ
Temperaturowy
współczynnik zmian
napięcia.
Wpływ IZ na TW UZ
Aby użyć diodę Zenera jako źródło
napięcia odniesienia o dużej stałości
należy:
• połączyć ją szeregowo z diodą
prostowniczą
• skompensować temperaturowe
współczynniki zmian napięcia obu diod
Wartość TWUZ zależy od:
• Napięcia stabilizacji UZ
• Wartości prądu płynącego przez diodę IZ
Wniosek:
Wybierając odpowiednią wartość prądu
dostrajamy TWUZ do odpowiedniej
wartości.
Przykłady diod Zenera
Nazwa diody
VZ [V] dla IZ = 5mA
rZ [Ω] dla IZ = 5mA
BZX384-C2V7
2,7
75
BZX384-C3V3
3,3
85
BZX384-C4V3
4,3
80
BZX384-C4V7
4,7
50
BZX384-C5V6
5,6
15
BZX384-C7V5
7,5
6
BZX384-C15
15
10
BZX384-C47
47
50
BZX384-C75
75
95
Wszystkie opisane wyżej diody są diodami Zenera 0,3W,
o tolerancji napięcia Zenera: 5%.
Diody pojemnościowe
Wykorzystywane jest zjawisko zmiany pojemności złącz P-N pod wpływem zmiany
napięcia przyłożonego w kierunku zaporowym.
Wyróżnia się dwa rodzaje diod pojemnościowych:
Warikapy (od variable capacitance, zmienna pojemność) są używane głównie w
układach automatycznego strojenia, jako elementy obwodów rezonansowych.
Pojemności rzędu 10 - 500pF.
Waraktory (od variable reactor, zmienna reaktancja), pojemności rzędu 0,2 - 20pF.
Używane głównie w zakresie wysokich częstotliwości, jak również mikrofalowym (5 200 GHz). Zastosowanie w powielaczach częstotliwości.
SOT 23
Charakterystyka i parametry diody pojemnościowej
Pojemność Ctmin jest osiągana dla dużych napięć,
U2 jest bliskie maksymalnemu napięciu
wstecznemu.
Pojemność Ctmax na ogół określa się przy
zerowym, lub bliskim zeru napięciu polaryzacji
diody U1 - pojemność ta jest rzędu pikofaradów.
pikofaradów
Dąży się do zmaksymalizowania współczynnika
przestrajania.
Czułość - parametr, który mówi jak zmienia się pojemność
pod wpływem zmiany napięcia.
Wada diod pojemnościowych:
Nieliniowość ich charakterystyki w funkcji napięcia, przekłada się na zniekształcenie
sygnału przy dużych jego amplitudach.
Przykłady diod pojemnościowych
Nazwa diody
CD [pF]
dla - & gt;
VR [V]
CD [pF]
dla - & gt;
VR – VR’ [V]
BAT86/Ph
17,5
1
9,7
1 - 28
BBY39
1,8
28
8,3
1 - 28
BBY39
29
3
10
1 - 28
Zastosowanie powyższych diod: strojenie odbiorników UKF.
Diody tunelowe
Dioda tunelowa dla pewnego zakresu napięć
polaryzujących charakteryzuje się ujemną
rezystancją dynamiczną.
Typowe wartości prądu IP są rzędu kilkukilkunastu miliamperów.
Im większy iloraz IP / IV - tym lepiej.
Diody krzemowe:
Up = 75mV, Uv = 400mV
Diody germanowe:
Up = 150mV, Uv = 600mV
Istotne są pojemność złącza p-n,
indukcyjność pasożytnicza oraz pojemność
obudowy, - wpływają na szybkość działania
diody.
Zastosowanie: układy generatorów
sygnałów o bardzo dużych częstotliwościach,
rzędu kilkuset GHz.
Diody Schottky’ego
Dioda Schottky'ego stanowi alternatywę dla diod germanowych, gdy
niezbędne jest niskie napięcie progowe. Wynosi ono ok 0,4 V.
Diody te odznaczają się bardzo krótkimi czasami przełączania i nadają się
doskonale do zastosowań w układach o bardzo wysokiej częstotliwości i
układach przełączających.
Diody Schottky'ego są powszechnie stosowane w zakresie częstotliwości
do 100 Ghz.
Należy zwracać uwagę na warunki pracy tych diod!
Przy wzroście temperatury od 25 do 100 º C, prąd wsteczny może
wzrosnąć nawet stukrotnie.
Przykłady diod Schottky’ego
Nazwa
diody
VRRM [V]
IR[uA] dla
VRRM
IFmax
[A]
VF [V]
dla - & gt;
IF
[A]
tRR [ns]
BAT86
50
5
0,20
0,38
0,00
1
4
11DQ03
30
1000
1,1
0,55
1
-
1N5711
70
10
0,015
0,41
0,01
5
0,1
Obudowy diod
Obudowy Diod 1
DO – 35
DO - 41
Najpopularniejsze obudowy diod: obudowy typu osiowego.
Identyfikacja wyprowadzeń w obudowach typu osiowego:
Katoda jest zawsze oznaczana kolorowym paskiem.
Obudowy Diod 1
TO - 247
D - PAK
Identyfikacja wyprowadzeń w obudowach innych typów:
Należy posłużyć się notą katalogową lub miernikiem.
TO 220
Obudowy Diod 2
SMC
SMB
B - 47
DO - 4
Prostowniki
Mostek Graetza
Najpopularniejszy obecnie
dwupołówkowy układ
prostowniczy.
Napięcie na wyjściu
układu będzie mniejsze od
wejściowego o dwukrotne
napięcie przewodzenia
diod.
W przeciwieństwie do
układu dwupołówkowego
może on pracować bez
transformatora.
Przykłady mostków prostowniczych
Nazwa mostka
VI(RMS) [V]
VRRM [V]
IAV[A]
IFSM[A]
VF [V] przy
IF [A]
DB154G
280
400
1,5
50
1,1
1,5
TS4B07G
700
1000
4
120
1
4
SB107
700
1000
10
200
1,1
5
Obudowy mostków prostowniczych 1
Mostek
prostowniczy
1,0 A
obudowa
DIL/SO
Mostek prostowniczy
1,5 do 2,0 A
Mostek prostowniczy
2,0 A
Obudowy mostków prostowniczych 2
Mostek prostowniczy
4,0 A
Mostek prostowniczy
6,0 A
Tranzystory
Symbole wszystkich tranzystorów
Tranzystory bipolarne
NPN
PNP
Tranzystory JFET
Z kanałem typu N
Z kanałem typu P
Tranzystory MOSFET
IGBT
Tranzystory bipolarne
Parametry i charakterystyki
tranzystorów
Model tranzystora
II – prąd diody emiterowej
IN – prąd diody kolektorowej
Cje Cjc – pojemności złączowe
emitera i kolektora
Cde Cdc – pojemności
dyfuzyjne emitera i kolektora
Uproszczony model zmiennoprądowy
gm – transkonduktancja tranzystora
Odwrotna polaryzacja
Złącze baza−emiter spolaryzowane w kierunku
zaporowym zachowuje się jak dioda Zenera o napięciu
pracy około 6,2V (niektóre źródła podają 5...7V).
Sprawdzanie wyprowadzeń
Rozróżnienie kolektora
od emitera jest
możliwe na podstawie
wartości napięcia
przewodzenia (mówimy
tu o opcji pomiaru
diod).
β najwygodniej zmierzyć za pomocą
multimetru cyfrowego z funkcją
mierzenia β .
Kolektor jako słabiej
domieszkowany ma
mniejsze napięcie
przewodzenia (czasami
tylko o kilka mV, ale
jednak).
Charakterystyka wyjściowa
W polu charakterystyk wyjściowych wrysowano prostą obciążenia.
Zaznaczony punkt przecięcia stanowi punkt pracy tranzystora dla
danej wartości prądu IB.
Punkt pracy tranzystora
Zależność potencjału
kolektora od prądu
diody
Zależność potencjału
kolektora od napięcia
na bazie
Wzmacnianie napięcia
Żeby tranzystor wzmacniał
przebiegi zmienne, trzeba na
wejście podać mały sygnał,
nałożony na pewne napięcie
stałe, należy precyzyjnie „trafić”
na liniowy zakres napięć na
bazie.
Wzmacnianie napięcia - polaryzacja bazy
Jeżeli tranzystor ma wzmacniać przebiegi zmienne, konieczne jest
dodanie obwodu polaryzacji bazy (napięciem i prądem stałym).
ROZWIĄZANIA ZŁE – CZĘSTO SPOTYKANE W PODRĘCZNIKACH, NIE STOSOWAĆ !!!!
W stanie spoczynku punkt pracy zależy od temperatury i wzmocnienia
prądowego β użytego egzemplarza tranzystora. To są wady wykluczające
praktyczną przydatność takich schematów.
Moc strat tranzystora
W strukturze tranzystora przy przepływie
prądu będzie się wydzielać moc strat
w postaci ciepła.
P=UCE × IC
Czy jeżeli maksymalne napięcie kolektora
wynosi UCE0 i maksymalny prąd kolektora
wynosi Icmax, to maksymalna „moc
tranzystora” wynosi P=UCE0×ICmax?
Trzeba poszukać w katalogu
dopuszczalnej całkowitej mocy strat,
oznaczanej Ptot.
Całkowita moc strat tranzystora Ptot
jest zawsze mniejsza niż iloczyn UCE
× IC !!!
Ograniczenia pracy tranzystora 1
Trzy ograniczenia warunków
pracy tranzystora:
1. Napięcie zasilające nie może być
większe niż katalogowe napięcie
UCE0. Najwyższe napięcia na
kolektorze występuje w stanie
zatkania tranzystora.
2. Prąd kolektora nie może być
większy niż ICmax. Największy
prąd płynie przez tranzystor w
stanie nasycenia.
3. Moc strat tranzystora w żadnych
warunkach nie może przekroczyć
dopuszczalnej mocy strat Ptot.
Ograniczenia pracy tranzystora 2
Dodatkowe ograniczenie
związane jest ze zjawiskiem tak
zwanego drugiego przebicia
(second breakdown).
Wystąpienie zjawiska drugiego
przebicia doprowadza do
uszkodzenia tranzystora.
W katalogach często spotykamy
skrót SOA lub SOAR. To właśnie
skrót od Safe Operating Area
(Region), czyli właśnie
bezpieczny obszar pracy.
Obszar pracy tranzystora podawany jest w notach
katalogowych w skali logarytmicznej.
Ograniczenia pracy tranzystora 3
Jeżeli tranzystor pracuje jako
przełącznik, podczas zatkania i
nasycenia wydziela się w nim
niewielka moc strat.
Najwięcej strat wydziela się w
krótkich chwilach przełączania.
Konfiguracje pracy tranzystora
Konfiguracja OC. Wtórnik emiterowy wzmacnia prąd
płynący do obciążenia i jest powszechnie stosowany.
Rwe = β (RL || RE)
Rwy = (RG + rbe) / β
Konfiguracja OE. Przebieg napięciowy jest odwrócony w fazie i
wzmocniony wartością RC / RE.
Rwe & lt; RB
Rwy = RC.
Konfiguracja OB. Wartość wzmocnienia napięciowego
wyznaczona jest przez stosunek rezystorów RC/RE.
Wzmocnienie prądowe jest praktycznie równe 1.
Rwe = rE
Rwy = RC
Układ Darlingtona 1
Układ zachowuje się tak jak zwykły tranzystor.
Napięcie UBE wymagane do jego otwarcia jest dwukrotnie większe niż w
zwykłym tranzystorze.
Nawet przy wysterowaniu dużym prądem bazy, napięcie " nasycenia "
kolektor−emiter nie będzie mniejsze niż 0,6...0,9V.
Bardzo duże wzmocnienie prądowe: β = β1 * β2 !!!
Układ Darlingtona 2
Wada Darlingtonów: szybkość ich działania!
Częstotliwość graniczna Darlingtonów waha się w granicach 10 – 50 kHz,
dlatego nie nadają się do układów małej częstotliwości.
Można również spotkać Darlingtony
komplementarne.
Do otwarcia " komplementarnego„ Darlingtona
wystarczy napięcie UBE około 0,6V, jak w
zwykłym tranzystorze.
Zastosowania w zależności od
parametrów
Przykłady tranzystorów bipolarnych
Nazwa
tranzystora
Ptot [W]
VCEO[V]
ICmax [A]
hFE
fT [MHz]
BC107B
0,3
45
0,1
200 - 450
300
BC517
0,62
30
0,4
30000
200
BD809
90
80
10
15
1,5
MJ11016
200
120
30
1000
4
• BC107B – małosygnałowy tranzystor NPN
• BC517 – małosygnałowy tranzystor NPN Darlingtona
• BCD809 – tranzystor NPN mocy
• MJ11016 – małosygnałowy tranzystor NPN mocy Darlingtona
Tranzystory IGBT
Tranzystory IGBT
IGBT to tranzystor bipolarny który:
• posiada izolowaną bramkę
• sterowany jest napięciem, tak jak MOSFET
• posiada wysoką impedancją wejściową
• posiada niskie VCE(sat) właściwe dla tranzystora bipolarnego
Zalety tranzystora IGBT:
• solidna konstrukcja i zabezpieczenie w przypadku zwarcia
obwodu
• częstotliwość przełączania powyżej 20 kHz
• niskie straty przy przełączaniu
• możliwość miniaturyzacji sprzętu
• wysoka niezawodność
Zastosowania tranzystorów IGBT
• układy z obciążeniami indukcyjnymi
• regulacja szerokości impulsów prądu
w zasilaczach bezprzerwowych
• układy sterujące z silnikami dużej mocy
• źródła prądowe do spawarek elektrycznych
• przetwornice
Przykłady tranzystorów IGBT
Nazwa
tranzystora
Ptot [W]
VCEO[V]
ICmax [A]
VCE(sat) [V]
VGE(th) [V]
IXSH24N60A
150
600
48
2,7
3,5 – 6,5
IXGH31N60
150
600
40
1,8
2,5 - 5
IXGH32N60A
200
600
60
2,9
2,5 - 5
• IXSH24N60A – zabezpieczenie przed zwarciem obwodu, wytrzymuje
zwarcie przy 10 μs z 15 V napięciem wejścia.
• IXGH31N60 – przeznaczenie do pracy przy niskich i średnich
częstotliwościach, częstotliwość pracy od 50 Hz do 80 kHz.
• IXGH32N60A – super szybki ma wbudowaną diodę i niskie Qrr.
Obudowy tranzystorów
Wyprowadzenia 1
Tranzystory w metalowej
obudowie mają zazwyczaj
kolektor połączony z obudową
(dotyczy to tranzystorów małej i
dużej mocy).
W tranzystorach małej mocy w
metalowej obudowie " języczek "
umieszczony jest przy emiterze.
Zwykle baza jest umieszczona
pomiędzy wyprowadzeniami
emitera i kolektora.
W niektórych tranzystorach w.cz.
środkową elektrodą jest emiter.
Wyprowadzenia 2
1
2
3
BC237...BC547...
E
B
C
BC307...BC557...
E
B
C
BC327, BC337
E
B
C
BC414,BC516,BC517
E
B
C
BF314, BF422, BF423
B
C
E
BF245
D
S
G
78L
WE
MASA
WY
79L
WY
WE
MASA
Obudowy tranzystorów 1
Obudowy tranzystorów 2
Obudowy tranzystorów 3
Obudowy tranzystorów 4
Obudowy tranzystorów 5
Tranzystory polowe
Tranzystory polowe
Tranzystory polowe tak jak i
tranzystory bipolarne są są sterowane
polem elektrycznym co oznacza, że nie
pobierają mocy na wejściu.
Ponieważ w tranzystorze polowym nie
ma żadnych przewodzących złącz więc
do bramki nie wpływa ani z niej nie
wypływa żaden prąd i jest to chyba
najważniejsza cecha tranzystorów
polowych.
Które tranzystory polowe stosować?
Zazwyczaj do czynienia mamy z następującymi tranzystorami
polowymi, reszta nie jest szeroko dostępna na rynku:
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).
Spotykane na rynku MOSFET−y mają trzy wyprowadzenia, a nie cztery.
Tranzystory JFET
Charakterystyki JFET 1
Przy napięciach dren−źródło
większych od 5V prąd drenu nie
zależy od napięcia drenu.
Obwód drenu ma właściwości
źródła prądowego – ma bardzo
dużą rezystancję dynamiczną.
Charakterystyki JFET 2
W zakresie bardzo małych napięć
dren−źródło, rzędu ± 20mV (czyli
także dla małych napięć
zmiennych), nachylenie zależy od
napięcia UGS.
Dla małych sygnałów zmiennych
obwód dren−źródło jest
opornikiem o rezystancji zależnej
od napięcia UGS.
Zastosowanie:
obwody, gdzie trzeba napięciowo
regulować poziom niewielkich
sygnałów zmiennych.
Charakterystyki JFET 3
Napięcie, przy którym tranzystor
zaczyna się otwierać, bardzo różni
się dla poszczególnych
egzemplarzy.
Prąd drenu jest ograniczony i przy
zwarciu bramki ze źródłem
(UGS=0) przyjmuje maksymalną
wartość równą IDSS.
Sposoby polaryzacji
TRANZYSTORY ZŁĄCZOWE PRZY ZEROWYM NAPIĘCIU SĄ OTWARTE.
Aby je zatkać, trzeba między źródło a bramkę podać napięcie ujemne.
Gdyby natomiast na bramkę JFET−a podać napięcie dodatnie względem
źródła, to w obwodzie bramka−źródło zacznie płynąć prąd. Tranzystor
będzie się wtedy zachowywał tak, jakby między źródłem a bramką była
włączona dioda.
Jak wyłączyć JFET?
Można podwyższyć napięcie źródła,
jak pokazuje a.
Nie trzeba stosować dodatkowego
źródła – można sprytnie
wykorzystać napięcia na rezystorze,
jak pokazuje b. Wartość tego
rezystora (0...10kΩ) wyznacza prąd
płynący przez tranzystor.
Konfiguracja pracy JFET
a)Wspólne źródło
b)Wspólny dren
c) Wspólna bramka
Sprawdzanie tranzystora JFET
Miedzy drenem a źródłem oporność
jest w obu kierunkach mała.
Między bramką a drenem lub
źródłem jest dioda.
Należy uważać sprawdzając
tranzystory złączowe w ten sposób!
Są to delikatne tranzystory i ładunki
statyczne mogą je uszkodzić właśnie
podczas takich prób.
W tranzystorach złączowych można
bezkarnie zamieniać miejscami
końcówki drenu i źródła –
właściwości układu będą takie same.
Układy z JFET wykorzystywane w praktyce
Rezystancja wejściowa układów jest równa rezystancji R1 = 1kΩ...100MΩ.
Szerokie pasmo, jednakowe napięcie stałe na wejściu i wyjściu, stabilność
cieplną ma wtórnik z rysunku d pod warunkiem zastosowania dwóch
identycznych tranzystorów. Prawie każdy oscyloskop ma na wejściu taki
wtórnik.
Przykłady tranzystorów N-JFET
Nazwa
tranzystora
Ptot [W]
VCEO[V]
IDmax [mA]
VGS(off)
2SK117
0,3
50
14
0,2 – 1,5
BC517
0,4
40
10
0,2 – 1,5
Tranzystory MOSFET
Układy pracy MOSFET
Bramka jest odizolowana od
przewodzącego prąd kanału
za pomocą dwutlenku krzemu
- tworzy się kondensator.
Obwód bramki nie pobiera
więc prądu. Mamy do
czynienia ze sterowaniem
napięciowym.
MOSFET jest bardzo szybki –
zmiana napięcia na bramce
powodują zmianę prądu w
ciągu niewielu nanosekund.
Parametry MOSFET
ZAKRES DOPUSZCZALNYCH NAPIĘĆ UGS WYNOSI DLA
PRAKTYCZNIE WSZYSTKICH MOSFET−ÓW ±15...±20V.
Najważniejszymi parametrami MOSFET−a są:
➤ dopuszczalne napięcie dren−źródło, oznaczane UDSmax
➤ maksymalny prąd drenu IDmax
➤ napięcie progowe otwierania, oznaczane UGSth
➤ rezystancja między drenem a źródłem w stanie
(całkowitego) otwarcia RDSon
Rezystancja otwarcia
RDSon katalogową uzyskuje się przy napięciu bramki (UGS), równym 10V.
Przy pełnym otwarciu, między drenem a źródłem występuje niewielka
rezystancja. Przy przepływie prądu spowoduje ona powstanie spadku napięcia
na tranzystorze, a także nieuniknione straty mocy.
Oczywiście ideałem byłby tranzystor MOSFET o jak największym napięciu
UDSmax i jak najmniejszej rezystancji RDSon.
Rezystancja RDson jest zdecydowanie większa w tranzystorach o wyższym
dopuszczalnym napięciu UDSmax. W praktyce oznacza to, że nie warto
stosować MOSFETów z większym niż to konieczne napięciem UDsmax.
Jeśli przez w pełni otwarty tranzystor BUZ11 popłynie ciągły prąd o wartości
5A, to napięcie UDS wyniesie typowo tylko UDS = 0,04Ω * 5A = 200mV. Straty
mocy wyniosą zaledwie: P = 200mV * 5A = 1W. Jak wiadomo, tranzystor w
obudowie TO−220 bez radiatora może rozproszyć 1...1,5W mocy strat.
Charakterystyki MOSFET 1
Linią przerywaną zaznaczona jest
hiperbola mocy, pokazującą
dopuszczalną moc strat.
Przebieg krzywych (poziome
odcinki) wskazuje, że również
MOSFET przy mniejszych
prądach może być użyty do
budowy źródeł prądowych.
Charakterystyki MOSFET 2
Kluczowe znaczenie ma wartość
napięcia progowego, przy którym
tranzystor zaczyna się otwierać (gdy
prąd ma “standardową” wartość
1mA).
Napięcie progowe nie jest ściśle
określone. Występuje nie tylko
znaczny rozrzut między
egzemplarzami, ale także daje się
zauważyć znaczny wpływ
temperatury. Napięcie progowe
tranzystora BUZ11 może wynosić w
skrajnych przypadkach 1,5...4,5V.
Sprawdzanie MOSFETÓW
Problemy z otwarciem MOSFETów
Tranzystor MOSFET zaczyna się otwierać przy napięciu UGSth.
Do pełnego otwarcia jest wymagane napięcie znacząco większe niż UGSth.
Ponieważ MOSFET−y najczęściej pracują dwustanowo, jako przełączniki –
zatkany/otwarty, ważna jest informacja, jakie napięcie jest wymagane, żeby
go w pełni otworzyć.
Napięcie 5V jest za małe do pełnego otwarcia niektórych egzemplarzy
MOSFET−ów mocy.
Jeśli nie ma możliwości zwiększenia napięcia sterującego podawanego na
bramkę, należy sprawdzić, czy dany egzemplarz wystarczająco otworzy się
przy napięciu bramki równym 5V.
Inną możliwością jest zastosowanie specjalnych MOSFET−ów z obniżonym
napięciem progowym, które na pewno całkowicie się otworzą przy napięciu
bramki równym 5V.
Pojemności MOSFETów
W MOSFETach bramka oddzielona jest od kanału warstwą tlenku,
tworzy się zatem kondensator.
Największe pojemności w MOSFECIE występują między bramką a
pozostałymi elektrodami.
W MOSFET−ach mocy pojemności te są rzędu 1nF. Czy ten jeden
nanofarad to znikoma pojemność i nie ma się czym przejmować?
Przy pracy w małych częstotliwościach na pewno nie, lecz przy
większych zaczynają się problemy.
Pasożytnicza dioda
Chociaż używamy symbolów MOSFET−ów z
rysunku a, w rzeczywistości zawsze
zawierają diodę, jak pokazano na rysunku b.
W normalnych warunkach pracy nie
przeszkadza ona, bo jest spolaryzowana
zaporowo.
Jednak MOSFET−y są bardzo często
stosowane w nietypowych układach, jako
przełączniki sygnałów zmiennych. Wtedy
trzeba uwzględnić obecność tej diody.
Czasem dioda bywa wykorzystywana (jej
prąd przewodzenia jest taki sam jak
tranzystora).
Informacje dodatkowe
Jeśli chodzi o podatność na uszkodzenia, to MOSFET−y mocy, np. BUZ10, BUZ11,
IRF540, itd., sprawują się bardzo dobrze. Naprawdę niełatwo je zepsuć. Uszkodzenia
wywołane ładunkami statycznymi zdarzają się niezmiernie rzadko.
Znacznie gorzej z małymi MOSFET−ami typu BS170, BS107, BS250. Są one
delikatne i naprawdę łatwo je uszkodzić. Należy obchodzić się z nimi bardzo
ostrożnie: przechowywać je wetknięte w czarną przewodzącą gąbkę, uziemić
stanowisko pracy, uziemić grot lutownicy, rozładowywać swe ciało często dotykając
uziemienia i czarnej gąbki, itd.
Generalnie wyprowadzenia MOSFET−ów są znormalizowane. MOSFET−y mocy
zawsze mają podany rozkład wyprowadzeń. Bardzo rzadko można
spotkać małe MOSFET−y w obudowie TO−92, gdzie kolejność wyprowadzeń jest
inna (DGS albo GDS zamiast SGD).
Przykłady tranzystorów N-MOS
Nazwa
tranzystora
Ptot [W]
VCEO[V]
IDmax [A]
VGS(off) [V]
rDS(on) [Ω]
VN10LLS
1
60
0,32
2,1 – 2,5
5
2N7000
0,4
60
0,2
2,1 - 3
5
BUZ11A
75
50
26
2,1 - 4
0,045
IRF730
75
400
5,5
2-4
1
VN10LLS, 2N7000 – tranzystory małosygnałowe
BUZ11A, IRF730 – tranzystory mocy
Radiatory
Moc strat, a temperatura 1
ANALOGIA DO PRAWA OHMA:
„Napięciem cieplnym” jest różnicą
temperatur ΔT, „prądem cieplnym”
jest przenoszona czy przepływająca
moc cieplna P, natomiast „opór
cieplny” to rezystancja termiczna
Rth.
Rezystancja cieplna pokazuje, jaka
będzie różnica temperatur z obu stron
danego elementu, przy przepływie
przezeń 1W mocy cieplnej.
Moc strat, a temperatura 2
Moc strat w najgorszych warunkach.
Temperatura złącza nie powinna przekraczać 150 ºC.
PRZYKŁADOWE ZADANIE
Tranzystor BC548 (UCE0=25V, IC=100mA,
Ptot=500mW, Rthja=250K/W) pracuje
przy napięciu 12V z rezystorem obciążenia
(rysunek 55) RL=1kΩ. Maksymalna temperatura
otoczenia wynosi +40°C.
Jaka będzie maksymalna temperatura złącza
tranzystora w najgorszych warunkach?
Moc strat, a temperatura 3
Wnioski
Jeśli tranzystory małej mocy mające rezystancję termiczną nie większą niż
500K/W, pracują z mocami nie większymi niż 100mW, nie trzeba się obawiać ich
przegrzania.
Przykładowo, jeśli napięcie zasilające wynosi 12V, to w najgorszym przypadku
moc 100mW wydzieli się w tranzystorze obciążonym rezystorem:
Zazwyczaj
używamy dużo
większych
rezystorów.
Moc strat, a temperatura 4
W przypadku tranzystorów mocy, w katalogu podana jest zarówno rezystancja Rthja,
dotycząca sytuacji bez radiatora, jak i druga, o znacznie mniejszej wartości –Rthjc. Ta
druga to rezystancja termiczna między złączem (junction) i obudową (case).
Przykładowo dla tranzystora BUZ74A
Rthja = 75 K/W
Rthjc = 3,1 K/W
Bez radiatora w tranzystorach o obudowie TO –
220, maksymalna moc jaka może się bezpiecznie
wydzielić wynosi:
Radiatory 1
Rezystancja Rthcr wynosi od około 1K/W przy bezpośrednim
przykręceniu tranzystora do radiatora, do około 0,1...0,2K/W
przy dokręceniu z zastosowaniem pasty (silikonowej) dobrze
przewodzącej ciepło
Radiatory 2
Mając dopuszczalną temperaturę złącza +150°C, temperaturę otoczenia
(zwykle przyjmuje się +30...+50°C) i moc strat P, przy jakiej tranzystor
będzie pracował, łatwo obliczyć maksymalną całkowitą rezystancję Rthja ze
wzoru Rthja = dT/P
Potem od tak obliczonej rezystancji wystarczy odjąć rezystancję Rthjc i
Rthcr: Rthra = Rthja – (Rthjc+Rthcr)
Moc strat Ptot podawana w katalogach tranzystorów mocy, niewiele ma
wspólnego z rzeczywistością, bo można ją uzyskać tylko przy idealnym
chłodzeniu.
W realnych warunkach pracy tranzystor mocy może być obciążony
mocą wynoszącą około połowy podanej w katalogu wartości Ptot.
W praktyce nie znamy dokładnej wartości rezystancji cieplnej radiatora.
Jak zatem dobierać posiadane przez nas radiatory do układów?
Dobór radiatora
Przy nowoczesnych tranzystorach w obudowach TO−220 i mocach traconych do 20...30W
można przyjąć, że jeśli temperatura styku tranzystora z radiatorem nie przekroczy +120°C,
to tranzystor nie będzie przegrzany. Jak określić tę temperaturę?
Umieść kropelkę wody na metalowej wkładce tranzystora TO−220, włącz układ i czekaj.
Jeśli po ponad minucie pracy układu w pewnym momencie w kropelce wody pojawią się
bąbelki pary, kropelka zacznie wrzeć i wyparuje, temperatura obudowy przekroczyła
+100°C. Jeśli teraz umieścisz następną kropelkę wody na wkładce, a ta wyparuje po kilku
sekundach, to temperatura wkładki wynosi +100...+110°C. Jest to dopuszczalna sytuacja.
Jeśli przy takim eksperymencie pierwsza kropelka wody nie chce wyparować w
towarzystwie bąbelków pary i niknie powoli w ciągu kilku minut lub więcej to temperatura
obudowy jest niższa niż +100°C i radiator jest dobrany z pewnym zapasem.
Jeśli jednak pierwsza kropelka wyparuje w czasie krótszym niż minuta, a następna kropelka
wyparuje z sykiem natychmiast po jej umieszczeniu na wkładce, to szybko wyłącz układ –
temperatura obudowy przekroczyła +120°C, a temperatura złącza mogła przekroczyć
+150°C. Zastosuj większy radiator, bo ten jest za mały dla danej mocy traconej.
Dziękuję za uwagę !