Spis treści:
Tranzystory to jedne z najważniejszych przyrządów półprzewodnikowych stosowanych w elektronice – to właśnie w oparciu o nie zbudowane są struktury wewnętrzne większości układów scalonych. Jednak oprócz układów scalonych, tranzystory występują także w formie pojedynczej, jako komponenty dyskretne – poznajcie IRFZ44N – pojedynczy tranzystor MOSFET z kanałem typu N.
Czym jest i jak działa tranzystor IRFZ44N?
IRFZ44N jest tranzystorem typu MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), zwanym także tranzystorem unipolarnym, ponieważ jego struktura półprzewodnikowa obejmuje jeden rodzaj nośnika, tj. typu N lub P. W przypadku tranzystora IRFZ44N, mamy do czynienia z kanałem typu N, gdzie nośniki większościowe stanowią elektrony, przeciwnie to tranzystorów MOSFET typu P, gdzie nośniki większościowe stanowią dziury. W tranzystorze MOSFET typu N, żaden z nośników mniejszościowych nie uczestniczy w bieżącym przewodnictwie. Dlatego też czas przechowywania ładunku elektrycznego po wyłączeniu jest pomijalnie krótki i dzięki temu tranzystory MOSFET z powodzeniem znajdują zastosowanie w układach elektronicznych o wysokiej częstotliwości przełączania. MOSFET z kanałem typu N jest włączony wtedy, kiedy napięcie bramka-źródło VGS jest dodatnie względem masy.
W układach energoelektronicznych, tranzystory MOSFET pełnią funkcje szybkich przełączników. Napięcie VGS musi mieścić się w dolnych i górnych granicach określonych w nocie katalogowej. Kiedy MOSFET jest w stanie przewodzenia, zachowuje się podobnie jak rezystor. Zatem strata mocy w takim tranzystorze jest proporcjonalna do kwadratu prądu drenu i rezystancji między drenem a źródłem w stanie włączenia tranzystora. Wartość tej rezystancji wzrasta wraz z prądem drenu z uwagi na wzrost temperatury złącza. Powoduje to zwiększone straty mocy podczas przewodzenia, a tym samym ogranicza zastosowanie w obwodach dużej mocy. Tranzystory MOSFET o niskim napięciu mają niską rezystancję w stanie włączenia, dlatego przy danych wymaganiach napięciowych lepiej jest wybrać tranzystory MOSFET mocy o minimalnym możliwym napięciu znamionowym, biorąc pod uwagę współczynnik bezpieczeństwa.
Przykładowe zastosowanie MOSFETa IRFZ44N - alarm akustyczny
Alarm przerwania obwodu można w uzasadniony sposób powiązać z obwodem alarmu akustycznego, który jest wyzwalany na skutek przerwania ciągłości obwodu elektrycznego. Taki przykładowy obwód potrzebuje napięcia zasilania pomocniczego z przedziału 9-12 V do ogólnego działania. Zasada działania takiego obwodu, jest następująca. Po podłączeniu zasilania, prąd przepływa z potencjału napięcia zasilania Vcc do masy GND przez rezystor 33k. Natomiast w wyniku przerwania tego obwodu, prąd będzie przepływać od potencjału Vcc do bramki MOSFETa. W rezultacie, MOSFET przechodzi w stan przewodzenia – prąd przepływa od drenu do źródła poprzez diodę LED i buzzer. Taki obwód może służyć jako sygnalizacja nieciągłości przewodów elektrycznych, np. w wyniku uszkodzenia wskutek przepływu zbyt dużego prądu.
IRFZ44N - najważniejsze parametry komponentu
IRFZ44N to popularny tranzystor MOSFET typu N, często stosowany w aplikacjach związanych z regulacją mocy, sterowaniem silnikami, zasilaczami impulsowymi, wzmacniaczami audio i wieloma innymi. Wśród najważniejszych parametrów tego tranzystora wyróżniamy:
- Napięcie znamionowe bramka-źródło (Vgs): Określa maksymalne napięcie, które może być bezpiecznie stosowane między bramką a źródłem, aby tranzystor działał prawidłowo.
- Napięcie znamionowe dren-źródło (Vds): Maksymalne napięcie, które może być bezpiecznie stosowane między drenem a źródłem, gdy tranzystor jest włączony.
- Prąd drenu (Id): Maksymalny prąd, który może przepływać przez tranzystor MOSFET, gdy jest w pełni włączony.
- Oporność przewodzenia (Rds(on)): Określa rezystancję między drenem a źródłem, gdy tranzystor jest w pełni włączony. Im niższa wartość, tym mniejsze straty mocy i lepsza wydajność.
- Napięcie progowe bramki (Vth): Minimalne napięcie, które musi zostać przyłożone do bramki, aby tranzystor zaczął przewodzić prąd.
- Moc znamionowa (Pd): Maksymalna moc, którą tranzystor MOSFET może rozpraszać bez przekraczania dopuszczalnych temperatur.
- Czas przełączania (t-on, t-off): Czas potrzebny na przejście tranzystora MOSFET z wyłączonego stanu (off) do włączonego stanu (on) i odwrotnie. Szybkie czasy przełączania mogą być istotne w niektórych aplikacjach, takich jak przetwornice DC-DC.
- Pojemność bramka-źródło (Ciss): Pojemność między bramką a źródłem, która wpływa na szybkość przełączania tranzystora.
Testowanie tranzystora MOSFET
Podobnie jak inne podzespoły i elementy elektroniczne, również tranzystor MOSFET jest elementem, który może być narażony na uszkodzenie. W tym celu, aby mieć pewność, że tranzystor, który chcemy użyć w naszym projekcie jest sprawny, warto go przetestować. Co ciekawe, do tego celu możemy użyć nie tylko wielofunkcyjnego testera komponentów elektronicznych, ale także multimetru i bateryjki, lub zasilacza.
Testowanie tranzystora MOSFET typu N za pomocą multimetru może być zrobione w kilku prostych krokach. Ustawiamy multimetr na tryb pomiaru rezystancji. Wartość rezystancji może się różnić w zależności od typu MOSFETa, ale będzie to zwykle wartość w granicach kilkuset kiloomów.
W stanie wyłączenia, przykładamy sondy multimetru do wyprowadzeń bramki i źródła. Multimetr powinien wyświetlać wartość nieskończoną. Po krótkim podaniu napięcia na bramkę, między złączem źródła a drenem powinno pojawić się przewodzenie. Multimetr powinien pokazywać niską rezystancję. Aby wykonać pomiar napięcia bramka-źródło, w celu wyznaczenia charakterystyki napięciowej MOSFET-a, możemy zmierzyć napięcie między bramką (G) a źródłem (S), po przyłożeniu do źródła napięcia zasilania. Przy prawidłowo podanej wartości napięcia na bramce, MOSFET powinien być w pełni przewodzący. Następnie sprawdzamy rezystancję od źródła do drenu, która stanowi swego rodzaju “równoległy rezystor” MOSFET-a w stanie przewodzenia. Wartość tej rezystancji powinna być stosunkowo niska, co wskazuje na to, że MOSFET jest w stanie przewodzenia. Jeśli wszystkie wymienione kroki spełniają wymienione założenia, możemy uznać, że badany MOSFET jest sprawny.
