Mikroelektronika a villamossági eszközökben III.
2014/7-8. lapszám | Porempovics József | 9902 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az előző cikkben a bipoláris tranzisztorok néhány általános jellemzőjét, tulajdonságát néztük át, és frissítettük fel esetleg régen tanult, el-eltűnő ismereteinket. Elsősorban a kapcsoló jellegű működésről volt szó, bár később, az alkalmazástechnikai példáknál látni fogjuk, hogyan működik pl. feszültségstabilizátorként tápegységekben.
A következő tranzisztortípus az unipoláris tranzisztor vagy más néven térvezérlésű FET (Field Effect Transistor) tranzisztor. A térvezérlésű tranzisztorok előnyeiről már volt szó: könnyebb gyárthatóság, a tranzisztorchip kis helyigénye és nagy bemeneti ellenállása, ami lehetővé teszi, hogy csupán feszültséggel vezéreljük, mint feszültségvezérelt áramforrás (a bipoláris tranzisztor áramvezérelt) vagy feszültségvezérelt ellenállás. Az alkalmazhatóság szempontjából a feszültségvezérelhetőség az egyik legfontosabb tulajdonsága, ugyanis elhanyagolható mértékű áram folyik a vezérlő bemenetén, így kis terhelhetőséggel rendelkező eszközök, mint pl. mikrovezérlők kimeneteivel is könnyedén lehet működtetni, vagy akár nagy áramokat kapcsolni, szabályozni vele.
A FET tranzisztoroknak is több fajtájuk van (1. ábra), megkülönböztetünk JFET (Junction Field Effect Transistor) és MOSFET tranzisztorokat, ezen belül mindkettő lehet N-csatornás vagy P-csatornás típus, ahogyan a bipoláris tranzisztoroknál is vannak NPN és PNP típusok. A JFET tranzisztorok jelentek meg először. A MOSFET (Metal-Oxid-Semiconductor Field Effect Transistor) tranzisztor a mai korszerű analóg és digitális integrált áramkörök, meghajtó és erősítő fokozatok alapeleme, ezért jelen leírásban főként ezzel a tranzisztortípussal foglalkozunk. A Metal-Oxid (fém-oxid) elnevezés a félvezető szerkezetére, belső rétegeinek sorrendjére utal. A MOSFET tranzisztorok további felosztása szerint lehetnek kiürítéses (önvezető) vagy növekményes (önzáró) típusok.
A MOSFET tranzisztorok három kivezetéssel rendelkeznek: G – Gate (kapu), S – Source (forrás), D – Drain (nyelő), a bipoláris tranzisztoroknál használt Bázis–Emitter–Kollektor elnevezésekhez és funkciókhoz hasonlóan. A működés megértése talán egyszerűbb konkrét alkalmazások bemutatásával, melyek elvi kapcsolási rajzai a 2. ábrán láthatók.
A MOSFET tranzisztor vezérlése a „G" jelű kapubemenetre kapcsolt feszültséggel történik. A rajzon a növekményes, más néven önzáró típust használjuk, ahol az önzárás azt jelenti, hogy ha a „G” pont és az „S” pont között nulla a feszültségkülönbség, akkor a tranzisztor D–S pontjai között teljesen lezárt a csatorna, tehát nem folyik áram (kikapcsolt állapot). Elvileg a „G” pontot szabadon hagyva is így lehetne, viszont az, hogy gyakorlatilag teljesítmény nélkül vezérelhető a MOSFET, egyben azt is jelenti, hogy külső zavarokra érzékeny a nyitva hagyott vezérlő bemenet, így a környezetéből a „G” kivezetésre jutó zavarjelek bizonytalan állapotban tartanák a tranzisztor vezérlését, ezért van ellenállás a „G” pont és a GND (nulla) potenciál között.
A 2. ábra „A” kapcsolásánál a már jól ismert kapcsoló jellegű üzemmódot láthatjuk – a MOSFET vezérlő bemenetére kellő nagyságú feszültséget kapcsolva az „S” és a „D” pontok közötti csatorna teljesen kinyit (minimális átmeneti ellenállással), így rákapcsolja az izzóra a GND pontot –, az izzó világít. Kikapcsolt kapcsoló mellett az „R1” ellenállás GND potenciálra húzza a „G” bemenetet, ezért a tranzisztor lezár, az izzó nem világít.
A 2. ábra „B” rajzrészleténél a kapcsoló helyébe egy potenciométert, változtatható ellenállást rajzoltunk. A potenciométer és a két ellenállás, mint feszültségosztó működik, így a potenciométer csúszkájáról folyamatosan változtatható feszültség kerül a MOSFET „G” vezérlő bemenetére. A változó nagyságú vezérlő feszültség különböző mértékben nyitja vagy zárja a tranzisztor „S” és „D” közötti csatornáját, melynek következtében változik a tranzisztoron és az izzón átfolyó áram erőssége, így az izzó fényereje változtathatóvá, szabályozhatóvá válik. Felfogható úgy is, hogy az izzóval sorba kötött tranzisztor tulajdonképpen egy változtatható ellenállás, ami meghatározza az áramkörben folyó áram nagyságát.
A 2. ábra „C” részleténél nincs megadva konkrét vezérlő áramköri hálózat. Fentebb már említésre került, hogy a MOSFET tranzisztorok a feszültségvezérlésnek köszönhetően kiválóan alkalmasak mikroprocesszoros, mikrovezérlős rendszerekkel történő vezérlésre, szabályozásra. A korszerű vezérlő- és szabályozóeszközök kimeneti meghajtója ma már szinte kizárólag valamilyen félvezető, – sok esetben egy vagy két MOSFET tranzisztor, vagy triak (ez is téma lesz majd), illetve más típusú teljesítmény-félvezető, mint pl. IGBT. Azt is kijelenthetjük, hogy ezeket a kimeneti meghajtó fokozatokat leginkább valamilyen intelligens áramkör vezérli, hiszen egyre több funkciót kell megvalósítaniuk a készülékeknek, egyre többet várunk el tőlük az alapműködésen kívül. A programozhatóság minimum elvárás, de pl. azt is természetesnek tartjuk, hogy önmagukat megvédjék a külső és belső hatások ellen. Mindez elképzelhetetlen mikroprocesszoros programozott rendszerek nélkül.
A MOSFET vezérlését illetően tulajdonképpen a mikroprocesszoros rendszer kimenete sem tesz mást, mint amit a 2. ábra „A” és „B” részében diszkrét áramköri elemekkel megvalósítva bemutattunk, csak éppen nem kézi beavatkozással, hanem valamilyen program algoritmus szerint. Tehát ha a mikroprocesszoros rendszer bemenetén van egy nyomógomb, akkor a gomb megnyomása vagy nyomva tartása egy megfelelő program segítségével összekapcsolható a MOSFET vezérlő kimenetével, hogy pl. gyakrabban vagy ritkábban kapcsolgassa be-ki azt (PWM szabályozás – lentebb). Így működik pl. a fényerőszabályozók egy része is (amelyik történetesen nem triakkal szabályoz), de a tranzisztor hőtermelését is figyelembe kell venni.
A nagyobb teljesítmények kapcsolásához vagy szabályozásához a MOSFET csatornáját jobban ki kell nyitni, tehát megfelelő nagyságú feszültséget kell kapcsolni a „G” kapubemenetre, hogy nagyobb áram folyhasson a tranzisztoron át. Ha ezt a mikroprocesszoros kimenet a potenciométeres vezérléshez hasonlóan, folyamatosan adja rá a „G” pontra, akkor folyamatosan ennek megfelelő, nagy áram fog folyni a tranzisztoron át. Sajnos itt már korlátokba ütközik a MOSFET-ből kivehető teljesítmény, mert a nagyobb áram jobban fogja melegíteni a tranzisztort. A tranzisztor által termelt hőt bizonyos mértékig el lehet vezetni, ha a tranzisztor tokozását megfelelően méretezett hűtőbordára erősítjük, de sok alkalmazásban a hűtőborda mérete sem lehet túl nagy – nem néznénk jó szemmel a táska nagyságú dimmereket. Egyébként a MOSFET tranzisztorok sem bírják folyamatosan, ha a terhelhetőségük határán üzemelnek. Az analóg szabályozásból eredő sok felesleges hőtermelés helyett olyan megoldást használnak, ahol a vezérlőjel nem folyamatosan kerül kiadásra a MOSFET kapubemenetére, hanem impulzusok formájában, a jól ismert impulzusszélesség-modulációval (PWM) – lásd a 3. ábrán. A tranzisztort nagyon gyorsan be-ki kapcsolgatjuk, így nem tud olyan mértékben felmelegedni, mert teljesen bekapcsolva (ill. kinyitva) gyakorlatilag nincs ellenállása, tehát nincs rajta eső feszültség, ami hőt termelne, kikapcsoláskor pedig lezár, tehát nem folyik rajta áram.
Az így kiadott feszültségjelek amplitúdója állandó, de legalább annyi, hogy teljesen kinyissa a MOSFET tranzisztor csatornáját, így minden bekapcsolási impulzus időtarta-mára azonos nagyságú áram folyik a tranzisztor „S” és „D” pontján át a fogyasztón (ha a fogyasztó ellenállásváltozását nem vesszük figyelembe).
Ha elég gyakran kapcsolgatunk, pl. akár 100 kHz-es frekvencia nagyságrendben, akkor nem nehéz belátni, hogy jócskán túl vagyunk szemünk tehetetlenségi határain, és semmit sem veszünk észre a kapcsolgatásból (Megj.: a régi analóg tévék félképváltási frekvenciája 25 Hz volt, azt sem vettük észre – csak a szemünk.) A bekapcsolások időtartamának változtatásával szabályozható a fényforrás fényereje vagy a pl. egy egyenáramú motor sebessége.
A 3. ábra különböző impulzusszélességeket mutat, melyekhez a piros vonallal meghúzott kimeneti átlagfeszültség tartozik, ami természetesen közelítőleg a fogyasztón átfolyó átlagárammal arányos, tehát jól követhető, hogyan is működik a PWM szabályozás.
A FET-es áramkörökkel kapcsolatos munkavégzés, javítás, raktározás és egyéb tevékenység körültekintést igényel, mivel nagyon érzékenyek a sztatikus kisülésekre. Ez annak ellenére vonatkozik az integrált áramkörökre is, nem csak a tranzisztorokra, hogy általában a FET-ek már tartalmaznak belső védelmet ez ellen – a tranzisztorok pl. Zener diódát tartalmazhatnak, az IC-k bemeneteit is ellátják elvezető védődiódákkal. Aki járt már mikroelektronikai gyárban, találkozhatott azzal, hogy a munkapadok földeltek, sőt a dolgozó csuklója is, de belépni sem lehet, csak a kisütő készülék használata után, védőöltözetben.
A következő lapszámban felfrissítjük a tirisztorokkal és a triakokkal kapcsolatos ismereteket, köztük a fázisszög-hasítással működő sza-bályozásokat.
