Tranzystor P-MOSFET IRF9530

Czym jest tranzystor MOSFET

Tranzystory MOSFET należą do rodziny tranzystorów unipolarnych (polowych). W tranzystorach bipolarnych wzmocnienie sygnału odbywa się przy pomocy prądu bazy. W tranzystorach unipolarnych zależne jest od pola elektrycznego (stąd ich nazwa - polowe). Nazwa unipolarne odnosi się do faktu iż prąd w tych tranzystorach płynie przez jeden rodzaj półprzewodnika, w bipolarnych przez dwa.

Jedną z najczęściej wykorzystywanych tranzystorów polowych są tranzystory MOSFET z kanałem wzbogacanym.

Tranzystory z kanałem wzbogacanym - podział tranzystorów MOSFET

Tranzystory MOSFET dzielą się na tranzystory z kanałem wzbogacanym i z kanałem zubożanym. Te jeszcze na N i P. Może to się wydawać złożone, ale w życiu, tranzystorów z kanałem zubożanym się praktycznie nie używa. Dlatego domyślnie kupując tranzystor typu MOSFET kupujesz właśnie z kanałem wzbogacanym.
Różnica pomiędzy jednymi a drugimi tkwi w tym, że w tranzystorach z kanałem wzbogacanym (jak sama nazwa mówi) tworzymy kanał przez podanie napięcia na bramkę, którym prąd może się poruszać.
W tranzystorach z kanałem zubożanym ten kanał jest już wytworzony, a my zubożamy go podając napięcie na bramkę tym samym odcinając drogę dla prądu. Tranzystory takie, więc domyślnie przepuszczają prąd, a my go możemy zmniejszać.

Zasada działania tranzystorów P-MOSFET

Bramka (G) jest oddzielona od reszty tranzystora przez zastosowanie izolatora w postaci dwutlenku krzemu (SiO2). Bramka z resztą tranzystora tworzy kondensator o pojemności do kilku nanoFaradów.

Tranzystor przy braku napięcia pomiędzy bramką (B) a źródłem (S) nie przewodzi prądu dren-źródło, ponieważ elektrony nie mogą pokonać złącza dwóch rodzajów półprzewodników (N i P). Jeżeli różnica pomiędzy bramką a źródłem przekroczymy napięcie progowe Ugs(th) (th od treshold) utworzymy kanał, którym prąd będzie mógł przepływać od źródła (S) do drenu (D).
Wartość prądu przepływającego od źródła do drenu jest zależna od przykładanego napięcia do bramki.

Napięcie pomiędzy bramką (G) a źródłem (S), które otworzy nasz tranzystor oznaczane jest Vgs(th) (th od treshold) i jego można wartość znaleźć w notach katalogowych. W przypadku tranzystora IRF9530 tranzystor zostanie otwarty gdy napięcie pomiędzy bramką a źródłem przekroczy 2V.

Poniższe grafiki przedstawiają zasadę działania tranzystora P-MOSFET

Różnica miedzy N-MOSFET a P-MOSFET

Różnica w sterowaniu pomiędzy tranzystorem N-MOSFET a P-MOSFET jest analogiczna do różnicy pomiędzy tranzystorami bipolarnymi NPN a PNP. Tranzystorami MOSFET typu N i typu P steruje się w bardzo podobny sposób.
Zarówno w tranzystorach N-MOSFET jak i P-MOSFET włączamy tranzystor, gdy różnica pomiędzy drenem (D) a źródłem (S) przekroczy napięcie progowe Ugs(th).

Główna różnica polega na tym, że w przypadku tranzystorów P-MOSFET, źródło (S) łączymy do wyższego potencjału, więc tranzystor P-MOSFET załączamy zmniejszając napięcie na bramce (G), a nie zwiększając jak w przypadku tranzystorów  N-MOSFET. Dlatego wartość Vgs(th) w notach katalogowych tranzystorów podaje się z minusem.

Przykładowo, gdy źródło podłączyliśmy do 5V, a Ugs(th) wynosi -2V to tranzystor zostanie włączony, gdy napięcie na drenie spadnie poniżej ok. 3V, bo 5 V- 2V = 3V.

Uwaga! Napięcie mierzymy zawsze pomiędzy dwoma punktami (ponieważ napięcie to różnica potencjałów). Gdy elektronicy podają napięcie na jednym punkcie (np. napięcie na bramce, źródle itp.) to drugim punktem jest zawsze masa w układzie, ponieważ masa jest poziomem odniesienia w elektronice.

Sterowanie tranzystorami P-MOSFET

Sterując tranzystorami P-MOSFET należy pamiętać o rezystorze podciągającym (jak na ilustracji poniżej). Rezystory takie nazywamy rezystorami pull-up. Nie dając takiego rezystora, tranzystor może pozostawać otwarty nawet po zaprzestaniu podawania sygnału sterującego.

Dzieje się tak dlatego, że bramka z resztą tranzystora tworzy kondensator.
Tranzystor zaczyna przewodzić prąd, gdy na bramkę podamy napięcie niższe niż na źródle o wartość Ugs(th). Należy jednak zwrócić uwagę, że po zaprzestaniu podawania sygnału na bramkę tranzystora, kondensator dalej będzie utrzymywał podany wcześniej ładunek, a tranzystor dalej będzie przewodził.  Rezystor pull-up pełni więc funkcję wyrównania ładunków pomiędzy bramką z źródłem, gdy przestajemy podawać sygnał otwierający nasz tranzystor.
Jaka powinna być wartość takiego rezystora? Zależy to od układu w jakim taki tranzystor pracuje. Ale jeżeli nie wiesz jak to wyliczyć, domyślnie możesz dać rezystor z przedziału 10k-100kOmów.

Poniżej zamieszczona została ilustracja przedstawiająca jak należy podłączać tranzystory P-MOSFET:

Czy dawać rezystor na bramkę tranzystora MOSFET

Duże wartości rezystorów wraz z kondensatorem pomiędzy bramką a źródłem utworzy filtr, co może zwiększać straty mocy na takim tranzystorze. Zwłaszcza przy dużej częstotliwości przełączania.
Nie mniej małe wartości rezystorów (do 100 Omów) mogą zapobiec wystąpieniu oscylacji na tranzystorze MOSFET.
Często ciężko ciężko stwierdzić czy i jaką wartość rezystora podać na bramkę tranzystora. Zwłaszcza dla początkujących elektroników.
Dlatego, jeżeli masz taki dylemat to nie dawaj rezystora do swoich układów wcale albo daj o niewielkich wartościach (do 100 Omów).

Co oznacza wyjście B w budowie

Dolne wyprowadzenie B, które widać na rysunku przedstawiające budowę tranzystora MOSFET, oznacza podłoże tranzystora (ang. bulk). Prawie zawsze jest ono zwarte do źródła tranzystora jeszcze w obudowie. W niektórych układach jest one używane jako dodatkowe wyprowadzenie i używane do sterowania tranzystorem.

Dioda pasożytnicza

Dioda, podłączona ze źródła do drenu, widoczna czasem na symbolach tranzystorów MOSFET to dioda pasożytnicza. Powstaje ona podczas produkcji tranzystorów jako efekt uboczny.
Dlatego, gdy tranzystor przewodzi nam cały czas niezależnie od napięcia na bramce - upewnijmy się, czy nie połączyliśmy tranzystora odwrotnie (tj. zamieniliśmy dren ze źródłem).

Najważniejsze parametry tranzystorów MOSFET

• Prąd drenu - oznacza maksymalny prąd, jaki może załączać tranzystor. Często podaje się ciągły i chwilowy prąd jaki przez tranzystor może przepływać.
  
  
• Napięcie dren-źródło - jest to maksymalne napięcie do jakiego możemy podłączyć nasz tranzystor (napięcie pomiędzy drenem a źródłem).
  
  
• Rezystancja w stanie przewodzenia (Rds) - gdy tranzystor zostanie już maksymalnie otwarty (wejdzie w stan nasycenia), a dalsze zwiększanie napięcia pomiędzy bramką a źródłem nie poszerzy już kanału i nie zwiększy prądu źródło-dren to tranzystora taki zachowuje się jak rezystor o niewielkiej rezystancji. Parametr Rds określa właśnie wartość tej rezystancji i jej wartość mieści się zazwyczaj w granicach kilku miliOmów a kilku Omów.
  Im mniejsza jest rezystancja Rds, tym mniejsze będą występowały na nim straty.
  
  
• Moc - oznacza maksymalną moc jaka może się wydzielać na tranzystorze. Moc ta będzie się wydzielała w postaci ciepła. Należy pamiętać, że jej wartość jest podawana, dla tranzystorów z przymocowanym radiatorem, polepszającym właściwości odprowadzania ciepła.