Transistorit

Alunperin julkaistu: 9.2.2017

Viimeksi muokattu: torstai 25.2.2021

Erilaisia transistoreita
Kuvassa erilaisia transistoreita (alkup. kuva)

Tässä uudistetussa transistorit-sivun kirjoituksessa perehdytään yhteen elektroniikan tärkeimmistä komponenteista nimeltä transistorit. Katsastetaan mitä transistorit yleensäkin ovat ja miten niitä käytetään elektroniikassa noin yleisesti. Kirjoituksessa on otettu tarkasteluun perinteiset bipolaariset eli BJT-transistorit (Bipolar Junction Transistor) sekä modernimmat FET-transistorit, erityisesti MOSFET-transistorit (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Nämä transistorityypit ovat yleiskategorioita, joihin transistorit jakaantuvat.

Kun tunnetaan transistorin toiminta, niin siitä on hyvä jatkaa opiskelua analogia- ja digitaalitekniikan puolelle, koska perusteet ovat niin sanotusti hallussa. Olet varmasti joskus kuullut puhuttavan, kuinka monta transistoria esimerkiksi tietokoneen CPU:ssa on. No ne ovat periaatteessa näitä samoja peruspalikoita, paljon paljon pienemmässä muodossa vain.

Tämä kirjoitus ei pyri olemaan mikään oppikirjamainen teksti, vaan enemmänkin tässä kirjoituksessa yritetään selvittää mahdollisimman yksinkertaisesti transistorin olemus ja toiminta, sen kummemmin menemättä liikaa teknisiin ja atomisiin yksityiskohtiin. Joissain kohti kuitenkin yksityiskohdat ovat tarpeellisia ja muutamia yksinkertaisia laskuja tullaan myös käyttämään.

Useimmiten ihmisiä kiinnostaa ainoastaan, että miten kyseinen komponentti elektroniikassa toimii ja mihin/miten sitä voidaan käyttää. Kun toiminnan ja käyttötarkoituksen tietää, voi rakentaa uutta tai korjata vanhaa. Harvempaa ihmistä ehkä kiinnostaa tietää, että montako elektronia meni suuntaan tai toiseen, joten aivan atomitason toimintaan ei siis mennä - mutta linkit transistorin perusteelliseen sielunelämään on merkitty kirjoituksen loppuun. Kiitos etukäteen mielenkiinnostasi artikkelia kohtaan! Palautetta, kehitysideoita sekä virheellisten tietojen korjauksia otetaan luonnollisesti vastaan esimerkiksi info-palautesivujen kautta.

Mikä on puolijohde ja miten se liittyy transistoriin?

Aloitetaan siitä mistä transistori on tehty, eli puolijohteesta ja miten se liittyy transistoriin.

Puolijohde on materiaalia, joka alkaa johtamaan sähköä (eli vapaita elektroneja) voimakkaasti tai huomattavasti paremmin, kun jokin tietty jänniteraja eli voltit ylitetään. Useimmiten tässä yhteydessä puhutaan PN-liitoksesta, joka tarkoittaa käytännössä diodia.

Tärkeimpiä käyttökohteita PN-liitoksille ovat diodit, ledit, transistorit ja esimerkiksi aurinkokennot. Tutuin yksinkertaisin käyttökohde PN-liitoksista lienee kuitenkin esimerkiksi ledit. Jokainen, joka on elektroniikan kanssa puuhastellut on varmaankin tehnyt ensimmäisiä kytkentöjä ledeillä ja havainnut, että esimerkiksi 1,5 voltin (AA-pariston) jännitteellä ledissä ei paljoa tapahdu. Mutta kun laittaa sarjaan toisen 1,5 voltin pariston, tai kokeilee lediä 9 voltin paristolla, niin led alkaa loistamaan - ainakin hetkeksi ilman etuvastusta. Näistä kokeista on tuttua se, että ledin "sytyttämiseen" vaaditaan tietty käyttöjännite ledille - eli kynnysjännite.

Samalla tavalla transistorissa vaaditaan tietyn suuruinen kynnysjännite siihen, että transistori kytkeytyy päälle tai pois päältä. Transistori on rakenteeltaan tällainen puolijohtavasta materiaalista tehty komponentti, jonka toiminnan aktivoimiseksi tarvitaan tietyn suuruinen jännite.

Alla olevassa animaatiossa esitetään ledin toiminta kynnysjännitteen ylittyessä. Kun ledin anodille tulee tarpeeksi jännitettä, se alkaa loistamaan ja kun jännite laskee alle kynnysjännitteen, loiste katoaa yön hämärään. Huomaa, että oheisessa animaatiossa (gifu :D) jännitteen yksikkö muuttuu alle 1 voltin alueella millivolteiksi (eli voltin tuhannesosiksi).

Ledin toiminta eri kynnysjännitteellä

Selitys mitä animaatiossa tarkalleen tapahtuu

Vasemmalta oikealle luettuna kytkennässä on jännitelähde (kolmioaalto), vastus ja LED. Jännitelähteen potentiaali, eli jännite, alkaa nousemaan 0:sta voltista kohti 3:a volttia (nähdään alla olevassa skooppikuvassa). Kun jännite on tarpeeksi korkealla, led alkaa loistamaan ja jännite mittauspisteessä alkaa tasoittumaan ledin kynnysjännitteen vuoksi. Virta alkaa kulkemaan ledin läpi ja tämä aiheuttaa ledin loistamisen.

Yllä olevassa "skooppikuvassa" on esitetty punaisella käyttöjännite ja vihreällä ledin anodilta mitattu kynnysjännite. Huomioi, että kun led saavuttaa ns. täyden johtavuuteensa, niin kynnysjännite ledin yli ei enää kasva kovin suurella vauhdilla. Transistorin kantaa voikin ajatella ikään kuin ledinä, joka alkaa loistamaan (puhutaan yleisesti johtamisesta) kuten led, kun kynnysjännite saavutetaan. Sama ilmiö saavutetaan, vaikka ledin paikalle vaihdettaisiin tavallinen diodi, mutta diodin toimintaa on hankalampi nähdä ilman mittareita.

Transistorit toimivat kynnysjännitteen osalta samaan tapaan kuin diodit ja ledit. Transistorin rakenteessa on kuitenkin yksi jalka/pinni/kanava eli elektrodi lisää, mitä pitkin ohjattava virta voi kulkea.

Ledit ovat PN-liitoksia ja niissä on kaksi jalkaa eli elektrodia. Transistoreissa on puolestaan kolme elektrodia, jolloin transistorit ovat joko NPN- tai PNP-liitoksia. Koska sähkövirta voi kulkea PN-liitoksen yli vain yhteen suuntaan kynnysjännitteen ylittyessä, huomataan että NPN ja PNP-transistoreissa virralla on mahdollista kulkea kahteen eri suuntaan. Täten transistoria voidaankin luonnehtia kahdeksi diodiksi, jotka ovat kytketty NPN/PNP-liitoksissa vain eri tavalla toisiinsa. Tämä ominaisuus mahdollistaakin transistorin tutkimisen yleismittarin diodimittauksen alueella.

Mikä transistori on?

Transistori on puolijohde, joka vahvistaa tai kytkee päälle sähköistä signaalia tai/ja sähköenergiaa. Transistori voi toimia yksinkertaisimmillaan kytkimenä (ON/OFF), vahvistimena tai esimerkiksi muuttuvana vastuksena (keinokuormat).

Transistoreilla on kolmenlaista toiminta-aluetta:

  1. Aktiivialue = missä transistori toimii vahvistimena tai kytkimenä
  2. Saturaatio = missä transistori toimii kytkimenä
  3. "Cut-off" = missä transistori ei johda sähköä

Peruskytkennöissä yleensä on tarvittavaa tietää vain aktiivialueen alaraja (kynnysjännite esimerkiksi), ja kytkinkäytössä saturaatioalue on tärkeämpi. Täytyy siis tarkistaa komponentin datalehdestä kynnysjännite ja saturoitumisalue sekä tietää käyttääkö transistoria kytkennässä vahvistimena vai kytkimenä.

Saturaatio tarkoittaa kyllästymisastetta. Kyllästyminen tarkoittaa elektroniikassa puolestaan sitä, että komponentti on saanut jostakin suureesta tarpeekseen. Transistorien tapauksessa se tarkoittaa sitä, että sen ohjausjännitteen ollessa tarpeeksi suuri, transistori ei voi enää enempää johtaa sähköä - se on saturoitunut. Tätä ilmiötä hyödynnetäänkin kytkennöissä, joissa tarvitaan mekaanisen kytkimen sijasta elektronisesti ohjattu kytkin. Lähes kuten mekaaninen kytkin, transistorikin voi avautua tai sulkeutua saturaatioasteella.

Kaikki saman tyyppiset (N/P-tyypit) transistorit toimivat periaatteessa samalla tavalla riippumatta siitä, miten niitä kytketään. Tämä tarkoittaa käytännössä esimerkiksi sitä, että voit useasti korvata vioittuneen transistorin toisella jopa eri mallin transistorilla, kunhan vain tiedät vioittuneen komponentin speksit eli ominaisuudet tai kytkennän maksimijännitteen/virran yms. Selvennetään sekavasta kirjoituksesta vielä, että P-tyypin transistorin tilalle ei voi laittaa N-tyyppiä ja odottaa samanlaista toimintaa kytkennältä.

Transistoreissa virta voi kulkea molempiin suuntiin, kun kynnysjännite on ylitetty. Transistori on kuitenkin yleensä tarkoitettu käytettäväksi niin, että virta kulkee vain yhteen suuntaan. Tämä onkin perimmäinen ero NPN- ja PNP-transistoreiden välillä sekä myös N- ja P-tyypin MOSFET-transistoreilla.

Piirikaaviosymbolissa sallitun virran suunta merkitään nuolella ja yleisesti käytössä olevat symbolit on esitelty alla.

Transistoreiden symbolit, elektrodit ja diodivastinkytkentä.
Huom! Diodivastinkytkentä on periaatteellinen, ei käytännössä toimiva ratkaisu. Transistorin voi kuitenkin testata yleismittarilla dioditestauksen alueella, kuvan osoittamalla tavalla.

NPN-transistorin symboli ja elektrodien merkinnät ovat kuvassa näkyvät BCE. Kirjaimet tulevat englanninkielisistä sanoista Base = Kanta, Collector= kollektori ja Emitter = emitteri.

NPN-transistori (BJT)

PNP-transistorissa elektrodit ovat nimeltään samoja, mutta virran suunta ja C/E ovat toisinpäin.

MOSFET-transistorissa elektrodit ovat GDS, ja ne tulevat sanoista Gate = hila, Drain = nielu ja Source = lähde. Kuvassa N-tyypin MOSFET (avaustyyppi = enhancement mode).

N-tyypin MOSFET-transistori

P-tyypin MOSFET-transistorissa nuolen suunta on toisinpäin. Kuvassa P-tyypin MOSFET (avaustyyppi = enhancement mode)

MOSFET-transistorissa nimet ovat hieman erit kuin NPN/PNP-transistorissa, mutta vastaavudet on merkitty selvennyksen vuoksi alle:

ElektrodiNimi BJT:ssäNimi MOSFETissa
KantaBase / KantaGate / Hila
EmitteriEmitter / EmitteriDrain / Nielu
KollektoriCollector / KollektoriSource / Lähde
NPN ja N-tyypin MOSFET

Transistorin kannan vaatima kynnysjännite nähdään komponentin datalehdistä ja siellä se on merkitty symbolilla VBE tai UBE. MOSFET-transistoreissa merkitään VGS / UGS. Symboli V tai U tarkoittaa jännitettä ja kirjaiment BE - (Base-Emitter) tarkoittavat kantaa ja emitteriä. MOSFET-transistorissa Gate-Source. Yhdessä nämä muodostavat symbolin, joka tarkoittaa kannan ja emitterin tai hilan ja nielun välistä jännite eroa.

Tyypillisesti kynnysjännite on luokkaa 0,6 V BJT-transistorilla, mutta se voi käytetyn transistorin mukaan vaihdella. MOSFET-transistoreilla hilajännite eli VGS vaihtelee paljonkin ja voi olla esimerkiksi 2.0 volttia tai 20 volttia. PNP ja P-tyypin MOSFET-transistoreissa jännite on negatiivinen ja tarkoittaa käytännössä sitä, että ohjattava jännite ja kuorma kytketään ns. toisinpäin kuin N-tyypin transistoreissa. Tästä kuitenkin lisää myöhemmissä kappaleissa.

Nyt kun tiedetään mikä transistori suurinpiirtein on ja miten se periaatteessa toimii, voidaan siirtyä käytännön esimerkkeihin.

Mikäli NPN/PNP-liitoksen toiminta ja diodivastinkytkentä jäi ihmetyttämään, täytyy mennä pintaa syvemmälle ja tutkia PN-liitoksen toimintaa tarkemmin. Tähän löytyy apuja internetistä ja esimerkiksi tämä tämä sivu on hyvä paikka aloittaa ihmettely. Tässä ko. selitykseen ei kuitenkaan sen enempää paneuduta.

Transistorin ohjaus

Transistoria ohjataan haluttuun tilaan (vahvistin/kytkin/pois päältä) kynnysjännitteen avulla. Kun transistorin kannalle syötetään kynnysjännite, se siirtyy aktiivialueelle ja alkaa toimimaan vahvistimena. Jos kynnysjännitettä syötetään tarpeeksi (esimerkiksi 1 voltti BJT-transistorissa), transistori kytkeytyy täysin päälle ja se toimii kytkimenä. Tällöin transistori on saturaatioalueella.

BJT-transistorissa sen toimintaan liittyy olennaisesti myös kantavirta. MOSFET-tyyppisissä transistoreissa itse transistori ei ota juurikaan virtaa ohjauksesta, vaan toimii enemmän jännitteen perusteella. Toisaalta kytkeytymishetkellä MOSFET-transistorien hetkellinen virta voi olla suurikin, mutta vain äärettömän pienen hetken verran. Tämä on kuitenkin oma lukunsa selittää, joten jätetään tämä toistaiseksi tähän. Peruskäytössä riittää, että tietää transistorien eri jännitteiden toiminta-alueet ja kumminkapäin transistori kytketään kuorman ja syöttöjännitteen väliin tai maata vasten.

BJT-transistorin olennaisimpaan tehtävään kuuluu vahvistaa virtaa ja vaikka MOSFET-transistorin tehtävänä on myös periaatteessa sama, niin niiden ohjauskytkennät ovat hieman erilaisia. Seuraavissa otsikoissa/kappaleissa on eroteltu BJT- ja MOSFET-transistorien ohjaukset omiin lohkoihinsa.

NPN-transistorin ohjaus

Aloitetaan animaatiolla, missä NPN-transistorille syötetään kolmioaaltoa jonka jännite nousee 1,5 volttiin ja laskee -1,5 volttiin - eli hieman kuten led-esimerkissä edellä. Negatiivisesta jännitteestä ei kannata välittää tässä animaatiossa, sillä ei ole ko. kytkennän toiminnan kannalta merkitystä.

Transistorin kannalla on testipiste, joka mittaa kynnysjännitettä ja kollektori on kytketty ledin ja etuvastuksen kautta +5 voltin jännitteeseen. Emitteri on maassa ja transistorin kannalla on lisäksi 10 kilon alasvetovastus, joka pitää transistorin kantajännitteen varmasti nollassa, kun jännitettä ei kannalle tule (tämä on käytännön kytkennöissä usein tarpeellinen vastus).

NPN-transistorin ohjaus
NPN-transistori ohjaamassa lediä.

Kun kannalle tuodaan sähkövirta jonka jännite on alle transistorin kynnysjännitteen (tässä esimerkissä <0,6 V) niin mitään ei tapahdu. Kun kynnysjännite saavutetaan tai ylitetään, niin transistori kytkeytyy päälle ja alkaa johtamaan sähkövirtaa. Kollektorilta emitterille kulkevan virran suuruutta (voidaan sanoa myös voimakkuutta) säädellään BJT-transistoreissa kantavirran suuruudella. Tässä esimerkissä kantavirran suurin arvo on ohjausjännite miinus kantajännite jaettuna vastuksen resistanssilla (eli: (1,5 - 0,6) / 1k).

BJT-transistorin kannalle syötetään kynnysjännitteen lisäksi virtaa ja syötetyn virran määrä yhdessä transistorin virtavahvistuskertoimen (Hfe) kanssa määrittää, kuinka paljon transistori voi virtaa vahvistaa. Kollektorilta emitterille kulkevan virran määrä saadaan kertolaskulla, missä kerrotaan transistorin kantavirta ja virtavahvistuskerroin toisillaan. Nyrkkisääntönä voidaan usein "heittää hatusta", että virtavahvistuskerroin on ainakin noin 100 tavallisimmilla transistoreilla.

PNP-transistorin ohjaus

PNP-transistori kytketään lähes kuten NPN-transistorikin, mutta kollektori ja emitteri ovat toisinpäin. Kytkennän positiivinen käyttösähkö kytketään emitterille ja pienempi potentiaali tai maa kollektorille.

PNP-transistorin ohjausta voi myös ajatella että se on päinvastoin kuin NPN-transistorin ohjaus. Kun NPN-transistori ohjautuu päälle, sen kannalla on vähintään 0.6 volttia jännitettä. PNP-transistorissa puolestaan kannalla on jännitettä oltava yli 0.6 volttia enemmän kuin emitterillä, että se ei ole päällä. Alla oleva animaatio toivottavasti selventää asiaa:

PNP-transistorin kantajännitteen ohjaus

Kun PNP-transistorin kannalla on alle 5 - 0.6 = 4,4 voltin jännite, alkaa virta kulkemaan emitteriltä kollektorille ja lamppu syttyy. Lamppua käytetään tässä siksi, koska sillä ei ole kynnysjännitettä joka vaikuttaisi transistorin toimintapisteeseen.

Kantajännitteen tasoa voidaan ikään kuin laskea ledin/diodin avulla, kuten alla olevassa kytkennässä on puolestaan tehty.

PNP-transistorin kantajännitteen muokkaus

PNP-transistorista voidaan myös ajatella, että se on niin sanotusti nollaohjattu, eli kun kanta maadoitetaan niin transistori ohjautuu päälle.

Kytkinkäytössä PNP-transistorilla voidaan ohjataan kuormaa näin:

PNP-transistori kytkimenä
PNP transistorin ohjaus kytkimellä

Yllä olevassa kytkennässä kytkimellä eli painonapilla ohjataan kuorma päälle ja pois. Tällainen kytkentä voi olla tarpeellinen esimerkiksi silloin, kun pitää ohjata suurta virtaa elektronisesti. Pienen kytkimen kautta suurta virtaa ei voi ohjata suoraan (eli kytkettäisiin vain kytkin ja kuorma sarjaan), koska kytkimen sisällä olevat kontaktit hitsautuisivat kiinni nappia painettaessa. Tällainen kytkentä voidaan toteuttaa ohjattavaksi mikroprosessorillakin, mutta ohjauslogiikka on käänteinen (eli nollalla menee päälle ja ykösellä pois päältä). Ohjattavan käyttöjännitteen on oltava ilman suojauksia korkeintaan sama, kuin mikroprosessorin käyttöjännite.

Usein elektronisessa ohjauksessa tarvitaan jonkin tason jännitelogiikkaa, esimerkiksi 3,3 voltin ohjausjännitteellä toimiva kuormakytkin. Tässä tapauksessa kytkentään lisätään NPN-transistori, minkä avulla 5 voltin kuormaa voidaan ohjata pienemmällä jännitteellä kuin mikä on PNP-transistorin emitterillä. Eli siis näin:

PNP-NPN-kytkin
PNP-transistorin ohjaus IO-pinnillä

Yllä olevassa kuvassa voidaan kytkimen naksuttelu korvata mikrokontrollerin IO-pinnillä. Huomannet myös, että kytkennän logiikka ei ole käänteinen eli kun ohjataan "1" niin kuorma on päällä ja nollalla ei ole. Tässä kytkennässä ehdottoman tärkeässä roolissa ovat molempien transistorityyppien kantavastukset. Ilman kantavastuksia ainakin PNP ja riippuen ohjauksesta myös NPN transistorit rikkoutuvat. Kytkentää voi hieman supistaa poistamalla NPN-transistorille kytketyn 100:n kilo-ohmin alasvetovastuksen. Tämä voi kuitenkin aiheuttaa transistorin kannalla hallitsemattoman tilan, joten yleensä alas- tai ylösvetovastukset kannattaa olla. Tämä kytkentä myös suojaa mikroprosessorin IO-pinniä paremmin, kuin aiempi kytkentä ja ohjattava käyttöjännite voi olla suurikin.

FET-transistorit

FET-transistorit eli puhekielessä FETit ovat ns. kanavatransistoreita, joissa ohjattavan virran suuruutta säädellään kanavan leveydellä. Kanava, missä virta kulkee on tietenkin transistorin sisällä. FETtiä voisi myös ajatella ikäänkuin virtaavan joen porttina, missä veden virtauksen voimakkuutta voidaan säädellä tai sulkea kokonaan. FETtiä voidaan tämän ominaisuuden vuoksi käyttää myös eräänlaisena säätövastuksenakin.

FET-transistoria ohjataan siis jännitteellä ja sen toiminta sen vuoksi poikkeaa BJT:stä. FETtejä on N- ja P-tyyppejä samoin kuin BJT-transistoreitakin, kuten edellä on jo mainittu. FETeissä hilalle tuodaan ohjausjännite, joka sulkee tai avaa kanavaa sen mukaan, millä toiminta-alueella ohjausjännite on.

FET-transistoreita on olemassa kahdessa eri pääryhmässä: JFET ja MOSFET. Olennaisin ero on, että JFET-transistoreissa kanava on aina auki, ellei ohjausjännitettä ole sitä pienentämässä ja MOSFETeissa asia voi olla jommin kummin. JFET on sulkutyypin transistori, koska ohjausjännitteellä suljetaan kanavaa ja estetään virran kulkua.

Animaation lähde.

Yleisimmin halutaan, että ohjattava jännite ja virta eivät kuitenkaan pääse kuormaan ilman aktiivista ohjausta, joten käytetään avaustyypin (Enhancement Mode) MOSFETtia. Avaustyypin MOSFET päästää virtaa lävitseen ainoastaan silloin kun ohjausjännitettä on hilalla. Tämä on yleisimmin käytetty fettityyppi, joten seuraavaksi näiden ohjauksesta tarkemmin.

N-tyypin MOSFET-transistorin ohjaus

MOSFETia voidaan käyttää kytkimenä tai vahvistimena. Usein on järkevää valita kytkinkäyttöön erilaisilla spekseillä olevia MOSFETeja, kuin mitä vahvistinkäyttöön tulisi. Valmistajilla on paljon erilaisia transistoreita kuhunkin käyttöön sopivaksi suunniteltuja, mutta yksinkertaisissa sovelluksissa voi käyttää ns. yleiskäyttöisiä MOSFET-tyyppejä, joten mallilla ei aina ole niin väliä.

N-tyypin MOSFET-transistorilla on vähintään kolme elektrodia, jotka ovat kanta, nielu ja lähde (Gate, Drain, Source). Ohjaamattomassa tilassa transistori ei johda sähköä nielusta lähteeseen päin (Drain -> Source) ja sitä voidaan ajatella avoimena kytkimenä. Asiassa on kuitenkin pieni mutta.

Kaikissa MOSFETeissa on valmistuksesta johtuen ns. sisäinen diodi, vaikka sitä ei välttämättä ole tarkoituksellisesti transistoriin rakennettu. Tämä diodi on tunnettu nimeltään body diode (suomeksi en ole vielä törmännyt sopivaan termiin) ja se usein merkitään myös piirikaavioissa sekä komponentin datalehdessä, missä sen speksit myös on kerrottu.

N-Mosfet ja body diodi

Body diodin takia MOSFETia ei voida käyttää jänniteohjattuna kytkimenä kuin yhteen suuntaan. Jos virtaa tarvitsee ohjata kahteen suuntaan, niin tarvitaan N- ja P-MOSFETit (eli puolisilta/puolikas H-silta) ja se on varmaankin toisen jutun aihe kokonaan.

Mutta katsotaanpa ensin, kuinka MOSFETia voidaan käyttää kytkimenä esimerkiksi 24 voltin ledilistan tai ledinauhan ohjaamisessa.

IRFZ44 N-MOSFET suunnitteluesimerkki:

MOSFET transistorin kotelo TO220

Käydään läpi lyhyt esimerkki siitä, kuinka MOSFETin ohjaukseen tarvittavat tiedot etsitään komponentin datalehdestä. Käytettävä transistori on tässä esimerkissä hyvin kytkinkäyttään soveltuva IRFZ44 N-tyypin MOSFET. Jos transistorin tyyppiä ei etukäteen tiedä (mikä on usein tyypillistä) niin voi lähteä etsimään transistoria sopivan hilajännitteen perusteella ja etsiä datalehden sitä kautta.

N-MOSFETia ohjataan aina hilajännitteellä, joka on suurempi kuin lähteen jännite (Source, eli tässä tapauksessa >0 V) ja tämä jännite on merkitty transistorin datalehteen symbolilla VGS tai UGS. Etsitään tämä ja pari muutakin arvoa datalehdestä:

Datalehden lukeminen
Datalehden kuvakaappausta on hieman muokattu tiiviimmäksi

Datalehdestä otetusta kuvakaappauksesta on ympyröity mm. seuraavat asiat:

  • sinisellä maksimi käyttöjännite nielun ja lähteen välille (Drain -> Source). Koska tässä esimerkissä MOSFETin lähde (Source) kytketään maahan, niin tämä jännite on myös suoraan maapotentiaalista mitattava.
  • punaisella kynnysjännite, joka pitää vähintään kannalla olla ja myös maksimijännite, jolloin transistori on saturaatioalueella. Tämä tarkoittaa, että transistori on täysin johtavassa tilassa silloin, kun hilalla on 4.0 V tai enemmän jännitettä. Koska transistoria halutaan käyttää kytkimenä, täytyy ohjausjännitteen maksimiarvon täyttyä, sillä muutoin transistori voi toimia aktiivialueella ja enemmän vahvistimena kuin kytkimenä. Jos kytkintransistoria ohjataan niin, että se ei ole täysin johtavassa tilassa, jää siihen tarpeettomasti tehohäviötä eli transistori toimii vain ylimääräisenä vastuksena kytkennässä, vaikka sähkö sen läpi kulkisikin ja kytkentä muuten vaikuttaisi toimivan oikein.
  • vihreällä maksimi resistanssi mikä transistorilla (kytkimellä) on sen ollessa täysin johtavassa tilassa. Transistoriin jäävä tehohäviö voidaan laskea ohmin lain avulla kaavasta I2R, missä I on transistorin läpi kulkeva virta ja R= RDS(ON) datalehden mukaan.

Tästä saadaan kytkimen ohjaukseen seuraavat yksinkertaiset speksit:

Maksimi nielulle (Drain) tuotava käyttöjännite on 60 V. Käytännössä kuitenkin ledit yhdessä pudottavat käyttöjännitettä tietyn verran (kynnysjännite * ledien määrä), joten oikea käyttöjännite voi olla tässä esimerkin tapauksessa paljon enemmänkin. Minimi hilan ohjausjännite kytkinkäytössä on 4.0 volttia, eli kytkintä voidaan ohjata esimerkiksi Arduinolla tai muulla mikroprosessorilla. Maksimivirta määräytyy tehohäviön mukaan. Käytännössä, koska RDS(ON) on saturaatiotilassa kovin pieni, niin komponentti lämpeää hyvin vähän vaikka sen läpi kulkisi esimerkiksi 3 ampeerin virta. Tehohäviö tällöin on = 32 *0,028 = 0,252 W --> TO220-koteloista komponenttia ei tarvitse tällä tehohäviöllä jäähdyttää.

Esimerkissämme 24 voltin ledinauhan ohjaus voitaisiin siis toteuttaa näin:

Esimerkki ledinauhan ohjauksesta transistorilla
Esimerkki ledinauhan ohjauksesta

Yllä olevassa kytkennässä/simulaatiossa 5 voltin kytkin voidaan korvata IO-pinnillä, jolloin kuorman ohjaaminen voi tapahtua ohjelmallisesti. Hilajännitteen ylittyessä yli 4.0 volttia alkaa transistori johtamaan kaikella kyvyllään (saturaatioalue) ja tehohäviötä muodostuu eniten ledeihin ja ledien virranrajoitusvastukseen. Huomaa, että transistorin hilalle (vrt. kanta BJT:ssä) ei ole tässä kytkennässä laitettu virranrajoitusvastusta, koska MOSFETit eivät ota ohjauksesta virtaa samalla tavalla kuin BJT:t. Alasvetovastus takaa sen, että MOSFET ei kytkeydy itsestään päälle esimerkiksi sormella koskettaessa tai sähköisen häiriöpulssin (EMI = ElectroMagnetic Interference) takia.

Vaikka MOSFETit eivät ota ohjauksesta virtaa, on niiden ohjauksen kytkentähetkellä kuitenkin pieni virtapiikki hilalla. Tämä johtuu hilalla luontaisesti olevasta kapasitanssista, mikä muodostuu transistoriin valmistusprosessissa. Kyseinen hilakapasitanssi pitää varata ja purkaa ja koska käytännössä kyse on kondensaattorista, niin sen virta purkautuu ja latautuu ohjauselektroniikan kautta. Usein kapasitanssi on kuitenkin niin pieni, että purettava ja ladattava energia jää myöskin pieneksi eikä erityisiä suojauksia ohjauselektroniikalle tarvita. Tämä kuitenkin riippuu paljon kytkentätaajuudesta ja sen vuoksi on hyvän käytännön mukaista suojella sekä ohjattavaa, että ohjaavaa elektroniikkaa erilaisilla suunnittelun keinoilla. Mutta nyt yksinkertaisuuden vuoksi ajatellaan kuitenkin, että virtaa ei kulje hilalla ollenkaan ja tarvitaan vain ohjausjännite VGS!

Huom! Jos sinun tarvitsee käyttää MOSFETia suoraan esimerkiksi Arduinon tai jonkin muun mikroprosessorin/mikrokontrollerin kanssa, niin kannattaa aina etsiä elektroniikkakaupoista logiikkatason MOSFETeja (hakuun Logic-Level MOSFET). Näissä VGS jännite on suoraan yhteensopiva 3.3 voltin ja 5 voltin elektroniikan kanssa. Tällöin ei tarvitse niin paljoa selata ko. transistorin datalehteä ja säästyy hieman aikaa.

Mikäli haluat tietää kuinka N-MOSFETia käytetään vahvistimena, niin lue siitä esimerkiksi tästä linkistä: https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/mosfet-amplifier.html . Ja jos haluat, että siitä tehdään perusteellisempi kirjoitus tälle sivustolle niin laitappa viestiä info-sivujen kautta!

P-tyypin MOSFET-transistorin ohjaus

P-MOSFET

P-tyypin MOSFETissa kytkentätopologia (eli tapa miten komponentteja kytkennässä järjestetään) on samanlainen kuin P-tyypin BJT-transistorissa. Samoin kuin N-tyypin MOSFETista, löytyy body diodi myös tästä komponentista. Huomiota kannattaa kiinnittää siihenkin, että body diodi on muodostunut komponentissa toisin päin kuin N-MOSFETissa. Tyypillisesti kuorma kytketään P-MOSFETissa nielulle (Drain) ja lähde (Source) käyttöjännitteeseen. Kytkennöissä helppona muistisääntönä voikin pitää, että MOSFETin body diodi kytketään aina ohjattavaa virtaa vastaan, tällöin nielu ja lähde kytkeytyvät oikein päin (poikkeuksia ja käytännön sovelluksia toki on, kuten elektroniikassa aina!).

Kytkinkäytössä P-MOSFETia voidaan ohjata esimerkiksi näin (huomaa MOSFETin asento!):

MOSFET transistorin ohjaus
P-MOSFET ohjaus

Yllä olevan kuvan kytkennässä transistorille tuodaan 0V jännite yksinkertaisesti maadoittamalla hila. Tämä saa transistorin johtamaan sähköä, koska VGS on negatiivinen arvo (esim. -2.0 V). VGS:n ollessa negatiivinen, se yksinkertaisesti tarkoittaa sitä että hilan jännite pitää saattaa 2.0 volttia (tai mitä se datasheetissä onkaan) alemmas, kuin lähteen (Source) jännite. Kun hilaa ei maadoiteta, 1 kilo-ohmin ylösvetovastus tuo jännitteen 5:een volttiin ja transistorin läpi ei kulje virtaa. Tyypillisesti hilan ja lähteen väliin (Gate-Source) kytkettävä vastus on hyvinkin suuri (esim 100k), sillä virtaa vastuksen läpi ei tarvitse kulkea juuri laisinkaan.

Suunnittelu P-MOSFETin käyttöön ON/OFF-kytkennässä on samankaltaista kuin N-MOSFETilla, joten jätän yksityiskohtaisemman esimerkin pois. Yllä olevassa ohjauskytkennässä kannattaa huomioida, että jos P-MOSFETin ohjaukseen ei haluta invertointia ja ylösvetovastuksen läpi tuleva korkea jännite halutaan "eristää" vaikkapa mikroprosessorin IO:sta, niin lisää kytkentään N-MOSFET tai NPN-transistori, kuten PNP-transistorin kytkennässä on tehty. Jos joku lukija kaipailee tästä tarkempaa kuvallista esimerkkiä, niin laittakoon viestiä.

Transistoreiden käytöstä kytkimenä lisää sivulla mikrokontrollerin ohjauskytkennät.

Transistori vahvistinkytkennässä

Mikäli haluat tietää kuinka MOSFETia käytetään vahvistimena, niin lue siitä esimerkiksi tästä linkistä: https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/mosfet-amplifier.html . Ja jos haluat, että siitä tehdään perusteellisempi kirjoitus tälle sivustolle niin laitappa viestiä info-sivujen kautta!

Alla olevassa kuvassa on esitettynä NPN-transistorin käyttö vahvistinkytkennässä.

Vahvistinkytkentä

Kytkennässä käytetään tavallista NPN-tyyppistä BJT-transistoria. Kondensaattorit C1 ja C2 vaikuttavat siten, että ne estävät tasasignaalin pääsyn transistorille ja kytkennästä pois. Kondensaattori C3 vaikuttaa siten, että kytkennästä saadaan lähes täysi vahvistus kun vastus R4 on näin ohitettu. Kondensaattorit päästävät lävitseen vaihtosignaalit, mutta tasasignaalien eteneminen pysähtyy niihin.

Kytkentä vahvistaa in:iin syötettyä signaalia ja vahvistettu signaali saadaan out:ista ulos. Ulos tulevan signaalin vaihe on kuitenkin kääntynyt 180 astetta. Tällainen vaiheenkääntö on tälle kytkennälle ominaista.

Vastuksien arvot voidaan mitoittaa, aivan kuten kondensaattoreidenkin arvot, mutta niitä ei nyt tässä lähdetä mitoittamaan. Tarkoitus oli vain selventää transistorin käyttöä vahvistinkytkennöissä.

Lähteitä ja linkkejä:

https://fi.wikipedia.org/wiki/Puolijohde
https://circuitglobe.com/semiconductor-diode.html
https://en.wikipedia.org/wiki/Transistor
https://circuitglobe.com/transistor.html
https://fi.wikipedia.org/wiki/Transistori
http://www.kuisma.eu/elper/elperpohja.html
https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zvsmkmn/revision/2
https://apps.spokane.edu/InternetContent/AutoWebs/steveg/Unit%201.pdf
https://fi.wikipedia.org/wiki/Elektronivoltti
http://www.kuisma.eu/elper/6puolijohteet/3puolijohde.html
https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_1.html
https://www.theengineeringprojects.com/2018/05/introduction-to-bjt-bipolar-junction-transistor.html
https://fi.wikipedia.org/wiki/MOSFET
https://electronics.stackexchange.com/questions/78366/why-cant-two-series-connected-diodes-act-as-a-bjt
https://www.electronicshub.org/mosfet/
https://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/mosfet-amplifier.html
https://circuitdigest.com/article/different-types-of-transistors