Tranzystor MOSFET: Wiedza tajemna

Autor: Dondu

Tranzystory MOSFET są dla mikrokontrolerów, tym czym woda dla fauny i flory. Mają super możliwości, ale trzeba je rozumieć, bo kąsać potrafią okrutnie!

Często niestety zdarza się, że stosowane są bez zachowania należytej staranności, co pokutuje uszkodzeniami urządzeń, z bliżej nieokreślonych i trudnych do wykrycia powodów. Wiedza ta jest tak prosta, a jednocześnie tak tajemna, że ... postanowiliśmy się nią podzielić :-)



1. Bramka MOSFET'a bez wymuszonej polaryzacji

Rys. Rezystor polaryzujący
bramkę (rozładowanie bramki).

SeerKaza
Ja nie wiem po co te rezystory??

beznazwy
Ale po co pogłębiać dzielnik wpinając równolegle z RGS rezystor R2? No nie ma po co.

Tranzystor MOSFET sterujemy napięciem na bramce, a nie prądem bazy jak to jest w przypadku tranzystorów bipolarnych (npn i pnp). MOSFET zaczyna się otwierać wtedy, gdy poziom napięcia na bramce względem źródła (UGS) wzrośnie powyżej progu określanego parametrem UGS(th). Następuje to w momencie zgromadzenia się na bramce MOSFET'a odpowiedniego ładunku (dodajmy, że bardzo niewielkiego).

Problem leży w tym, że:

• ładunek utrzymuje się na bramce MOSFETA (nawet po wyłączeniu urządzenia!), aż nastąpi jego rozładowanie wymuszone przez nas lub samoistne z powodu upływności (bardzo długi czas),
• ładunek może pojawić się na bramce z powodu zewnętrznych zjawisk elektrostatycznych (np. zbliżenie ręki ubranej w naładowany sweter), czy działanie urządzenia w zmiennym polu elektromagnetycznym.

Pozostawienie bramki MOSFET'a bez wymuszonej polaryzacji zamykającej tranzystor, może w niesprzyjających warunkach skutkować, niekontrolowanym włączeniem tranzystora, co może doprowadzić do uszkodzeń wielu elementów danego urządzenia (w zależności od jego konstrukcji).

Poniżej filmik pokazujący dlaczego jest to tak istotne:




Jak wymuszać polaryzację? 

To proste, wystarczy jeden rezystor pull-x:

• pull-down dla MOSFET'a typu N,
• pull-up dla MOSFET'a typu P.

Rys. Rezystory wymuszające zatkanie tranzystorów w przypadku braku sygnału sterującego.

Co to jest LOAD wytłumaczyłem tutaj: Datasheet: LOAD

Jak to działa?

MOSFET jest zatkany, gdy jego bramka ma ten sam potencjał co źródło. Jeżeli więc na wejściach sterujących nie ma żadnego sygnały (jest ustawiona wysoka impedancja), to rezystory R2 ustalają ten sam poziom napięcia na bramce, jaki występuje na źródle danego tranzystora. W przypadku MOSFET-N będzie to potencjał masy (0V), w przypadku MOSFET-P, będzie to potencjał Vcc.



Jakie wartości rezystora?

Niestety na to pytanie nie jest łatwo odpowiedzieć, ponieważ zależy to tylko i wyłącznie od układu w jakim pracuje tranzystor MOSFET. W ciemno możesz dawać rezystory z przedziału 47k - 100k.

Jeżeli chcesz użyć mniejszy rezystor powinieneś się zastanowić, jaki wpływ będzie miał na sygnał sterujący bramką MOSFET'a.



Gdzie umieszczać rezystory pull-x na PCB?

Jeżeli jest to możliwe, to jak najbliżej nóżek tranzystora, co w zależności od zastosowanej obudowy, może być bardzo proste lub nieco trudniejsze. Jeżeli jednak nie masz takiej możliwości, nic wielkiego się nie stanie, gdy będą one w zupełnie innym miejscu.

Rys. Half Bridge - przykład
krytycznego układu dwóch
MOSFET-ów.

Kiedy bezwzględnie stosować rezystory pull-x?

Na pewno:

• gdy niekontrolowane włączenie urządzenia sterowanego przez MOSFET, może Ciebie drogo kosztować,
• w krytycznych układach tak jak na rysunku po prawej, gdzie niekontrolowane włączenie MOSFET-a (-ów), może doprowadzić do zwarcia,
• w prototypach, gdzie możesz popełnić błąd w programie i dopuścić do sytuacji, w której bramka MOSFET'a jest niekontrolowana (stan wysokiej impedancji na pinie mikrokontrolera),
• w urządzeniach produkowanych seryjnie, by nie mieć problemów awarii.

Kiedy można odpuścić dodawanie rezystora pull-x?

Jak we wszystkim, także i tutaj można zastosować kompromis i nie dawać rezystora w przypadkach, w których ewentualne samo-włączenie MOSFET'a nie spowoduje, żadnych szkód. Wymyślając na szybko przykłady, można pomyśleć o przypadkach, gdy MOSFET włącza:

• oświetlenie (najwyżej będzie świecić pomimo, iż nie powinno),
• ... masz jakiś inny przypadek - napisz komentarz,
• ... itp.

Czy warto ryzykować?

Rezystor kosztuje  4 grosze (cena brutto 2012r.). Jego dodanie chroni tranzystor MOSFET i/lub elementy sterowane przez niego, a których wartość może być liczona w dziesiątkach lub setkach złotych.

Czy warto ryzykować i nie dawać rezystora za 0,04zł?
Decyzja jest w Twoich rękach :-)

---

Ciąg dalszy nastąpi ...