Tranzystor polowy
Problem - Tranzystor polowy
Musisz załączać naprawdę ciężkie i głośne układy obciążenia, jak te spotykane w silnikach, a na dodatek musisz robić to efektywnie, bez generowanie dużych ilości ciepła.
Rozwiązanie
Użyj tranzystora polowego
Tranzystory polowe (nazywane też MOSFET — Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) nie mają emitera, bazy ani kolektora, ale za to mają źródło, bramkę i dren. Podobnie jak tranzystory bipolarne polowe również dostępne są w dwóch wariantach: z kanałem n lub z kanałem p. Najczęściej stosowane są wersje z kanałem n — i takiego też użyjemy w tym przepisie. Na rysunku 5.6 możesz zobaczyć schematyczny symbol tranzystora polowego z kanałem n oraz dwa typowe modele tranzystorów. Większy z nich (w obudowie z oznaczeniem TO-220) to tranzystor typu FQP30N06, który może przełączać prądy do 30 A przy napięciu do 60 V. Dziurka w obudowie TO-220 pozwala przymocować do tranzystora mały radiator, który potrzebny jest tylko w przypadkupracy z naprawdę dużymi prądami. Mniejszy z tranzystorów to model 2N7000, który może działać z prądem do 500 mA przy napięciu 60 V.
Rysunek 5.6. Tranzystory polowe
Tranzystor polowy nie ma wzmocnienia znanego z tranzystorów bipolarnych. Co więcej, w tranzystorze polowym nie ma elektrycznego połączenia pomiędzy bramką a pozostałymi wyprowadzeniami, ponieważ bramka jest oddzielona od nich specjalną warstwą izolacyjną. Jeżeli napięcie między bramką a drenem przekroczy napięcie progowe tranzystora, to zacznie on przewodzić,
a pomiędzy źródłem i drenem będzie mógł płynąć prąd o dużym natężeniu. W zależności od modelu napięcie progowe tranzystora może wahać się od 2 V do 10 V. Tranzystory polowe przeznaczone do pracy z cyfrowymi wyjściami takich układów jak Arduino lub Raspberry Pi są nazywane tranzystorami logicznymi. W takich modelach napięcie progowe bramki na pewno jest niższe niż 3 V.
Przeglądając specyfikację tranzystora polowego, zauważysz, że producent zawsze podaje rezystancję tranzystora w stanie włączenia i wyłączenia. Rezystancja w stanie włączenia może wynosić zaledwie kilka mΩ, natomiast rezystancja w stanie wyłączenia nawet wiele MΩ. Oznacza to, że tranzystory polowe mogą pracować przy znacznie wyższych prądach niż tranzystory bipolarne, nie nagrzewając się przy tym.
Moc grzewczą generowaną przez tranzystor polowy możesz wyliczyć za pomocą poniższego wzoru, przy założeniu, że znasz natężenie prądu płynącego przez tranzystor oraz jego rezystancję w stanie włączenia.
Opis - Tranzystor polowy
Tym razem rezystor nastawny pozwoli nam na zmianę napięcia bramki w zakresie od 0 V do napięcia baterii. Poprawiony schemat
przedstawiam na rysunku 5.7, natomiast nowy układ na płytce prototypowej na rysunku 5.8.
Rysunek 5.7. Schemat układu do eksperymentu z tranzystorem polowym
Rysunek 5.8. Układ elementów na płytce prototypowej do eksperymentu z tranzystorem polowym
Jeżeli potencjometr zostanie ustawiony na najniższe napięcie 0 V, to dioda LED1 pozostanie zgaszona. Po podniesieniu napięcia bramki do poziomu 2 V dioda zacznie lekko świecić, a gdy napięcie osiągnie wartość 2,5 V — dioda będzie już świeciła pełną jasnością.
Spróbuj teraz odłączyć nóżkę łączącą się z potencjometrem i dotknąć nią dodatniego bieguna baterii. Dioda LED powinna się zapalić, a co więcej, powinna świecić się nawet po tym, jak odsuniesz nóżkę bramki od zasilania bateryjnego. Dzieje się tak, ponieważ w bramce tranzystora polowego zebrała się ilość ładunku wystarczająca do utrzymania napięcia bramki powyżej napięcia progowego. W momencie, gdy dotkniesz nóżką bramki do uziemienia, cały ten ładunek odpłynie, a dioda LED zgaśnie.
Mimo faktu, że tranzystory polowe sterowane są napięciem, a nie prądem, to w pewnych okolicznościach konieczne jest wzięcie pod uwagę prądu płynącego przez bramkę. Wynika to z tego, że bramka działa jak jedna z okładek kondensatora, który musi zostać naładowany i rozładowany, a jeżeli dzieje się to z dużą częstotliwością, to prąd bramki może być naprawdę duży. W takiej sytuacji niezbędny staje się rezystor ograniczający prąd bramki.
Inna różnica między tranzystorem polowym a bipolarnym polega na tym, że przy niepodłączonej do niczego bramce tranzystor polowy może się załączyć w sposób całkowicie nieprzewidywalny. Takim efektom można zapobiegać, umieszczając rezystor pomiędzy bramką a źródłem tranzystora.
