Transistörler — BJT ve MOSFET

Bir transistör, devrenin bir bölümünün başka bir bölümdeki akımı kontrol etmesini sağlayan bir elemandır. Kısa bir BJT ve MOSFET karşılaştırması için temel fikir şudur: BJT taban akımıyla kontrol edilirken, MOSFET esas olarak kapı-kaynak gerilimiyle kontrol edilir.

Her ikisi de anahtar olarak çalışabilir ve uygun koşullarda yükseltme için de kullanılabilir. Aralarındaki fark, kontrolün nasıl gerçekleştiği ve sürücü devrenin ne sağlaması gerektiğidir.

BJT ile MOSFET Arasındaki Fark Nedir?

Bir BJT'nin üç ucu vardır: base, collector ve emitter. Temel olarak bakıldığında, transistör doğru bölgede kutuplanmışsa küçük bir base akımı daha büyük bir collector-emitter akımını kontrol edebilir.

Bir MOSFET'in gate, drain ve source uçları vardır. Gate yalıtılmıştır; bu yüzden gate gerilimi, drain ile source arasında akımın akıp akamayacağını değiştiren bir elektrik alan oluşturur.

Bu yüzden insanlar bu farkı genelde şöyle özetler:

• BJT girişte sürme akımına ihtiyaç duyar.
• MOSFET ise esas olarak doğru giriş gerilimine ihtiyaç duyar.

Bu özetler kullanışlıdır, ancak yalnızca devre koşulları hedeflenen çalışma moduna uyduğunda geçerlidir.

Sade Bir Dille BJT Sezgisi

Giriş seviyesindeki devrelerde BJT ile ilgili temel fikir, alışılmış NPN düzende transistörün iletime geçmesi için base-emitter birleşiminin doğru polarmalanmış olması gerektiğidir. Bu koşul sağlanırsa collector akımı, base akımından çok daha büyük olabilir.

Aktif bölgede yaygın bir yaklaşım şudur:

$$I_C \approx \beta I_B$$

burada $I_C$ collector akımı, $I_B$ base akımı ve $\beta$ akım kazancıdır.

Bu ilişki sezgi geliştirmeye yardımcı olur, ancak her durumda geçerli bir kısa yol değildir. BJT'yi anahtar olarak kullanıyorsanız, tasarım hedefi çoğu zaman aktif bölgedeki hassas yükseltme değil, doyumdur.

Alışılmış Karışıklık Olmadan MOSFET Sezgisi

Artırmalı tip bir MOSFET için önemli kontrol değişkeni kapı-kaynak gerilimi $V_{GS}$'dir. Eğer $V_{GS}$ çok düşükse kanal zayıftır ya da hiç oluşmaz. Eğer $V_{GS}$ o eleman ve yük için yeterince yüksekse, akım güçlü biçimde akabilir.

Gate yalıtılmış olduğu için genellikle çok az sürekli durum akımı çeker. MOSFET'lerin dijital devrelerde ve güç anahtarlamada yaygın kullanılmasının nedenlerinden biri budur.

Yeni başlayanların en sık yaptığı hata, eşik gerilimini "tam açık" durumu gibi düşünmektir. Eşik gerilimi genelde belirli bir test koşulunda iletimin başladığı noktayı gösterir. Sizin yük akımınızda düşük direnç veya verimli anahtarlama garanti etmez.

Çözümlü Bir Örnek: Mikrodenetleyici ile Yük Anahtarlama

Diyelim ki $5 \, \text{V}$'luk bir mikrodenetleyici, $200 \, \text{mA}$'lik bir yükü anahtarlamak zorunda.

Anahtar olarak kullanılan bir NPN BJT ile, bir base direncine ve transistörü doyuma sürecek kadar base akımına ihtiyaç vardır. Tasarım payı olarak zorlanmış kazancı yaklaşık $10$ seçerseniz, $200 \, \text{mA}$'lik bir collector akımı yaklaşık $20 \, \text{mA}$ base akımı gerektirir. Bu değer bazı mikrodenetleyici pinlerinin sınırına yakın olabilir.

Alçak tarafta anahtar olarak kullanılan lojik seviyeli n-kanal MOSFET ile, kontrol pini esas olarak sürekli bir gate akımı değil uygun bir gate gerilimi sağlamalıdır. Kararlı çalışmada bu genellikle mikrodenetleyici için daha kolaydır. Buradaki koşul önemlidir: MOSFET, elinizdeki gate geriliminde gerçekten iyi iletime geçecek şekilde belirtilmiş olmalıdır.

Bu örnek pratik dengeyi açıkça gösterir. Kontrol sinyali gerilim sağlayabiliyor ama fazla akım veremiyorsa, MOSFET çoğu zaman daha kolay bir anahtardır. Akım düşükse ve devre basitse, BJT de hâlâ tamamen makul bir seçim olabilir.

İnsanlar Ne Zaman BJT, Ne Zaman MOSFET Seçer?

BJT'ler küçük analog katlarda, ders kitabı tipi yükselteç devrelerinde, akım aynalarında ve basit anahtarlama görevlerinde yaygındır.

MOSFET'ler dijital mantıkta, güç elektroniğinde, gerilim regülasyonunda ve yüksek giriş empedansının yararlı olduğu devrelerde yaygındır.

Hiçbiri otomatik olarak daha iyi değildir. Doğru seçim; yük akımına, mevcut sürme sinyaline, hıza, güç kaybına ve devrenin ağırlıklı olarak analog mu yoksa anahtarlama odaklı mı olduğuna bağlıdır.

Transistör Sorularında Yaygın Hatalar

$I_C \approx \beta I_B$ bağıntısını yanlış durumda kullanmak

Bu bağıntı en çok aktif bölgeyle ilgili düşünmede yararlıdır. Her anahtarlama tasarımında güvenli bir varsayım değildir.

MOSFET eşik gerilimini gerekli açılma gerilimi sanmak

Bir MOSFET eşik geriliminin üstünde olabilir ve yine de anahtar olarak kötü performans gösterebilir. Elemanın düşük iletim direncine hangi koşulda ulaştığını her zaman kontrol edin.

MOSFET gate'lerinin kapasitif olduğunu unutmak

Kararlı durumda gate akımı genellikle çok küçüktür, ancak anahtarlama sırasında gate'in yine de şarj ve deşarj olması gerekir. Hız önemliyse bu durum önem kazanır.

Isıyı göz ardı etmek

Akım taşırken üzerinde kayda değer gerilim düşen her transistör, kayda değer güç harcayabilir. Gerçek bileşenlerin ısıl sınırları vardır.

Bunun Fizikteki Önemi

Transistörler, yarıiletken fiziğini gerçek cihazlara bağlar. Bir BJT, birleşimler boyunca taşıyıcı enjeksiyonuna dayanırken; bir MOSFET, bir kanalı kontrol eden elektrik alana dayanır.

Bu fiziksel tablo net olduğunda devre davranışı çok daha az keyfi görünür. Artık bir şemadaki sembolleri ezberlemiyorsunuz. Yüklerin ve alanların akımı nasıl kontrol ettiğini izliyorsunuz.

Benzer Bir Durumu Deneyin

Basit bir anahtarlama devresi alın ve önce şu iki soruyu sorun: kontrol kaynağı rahatça akım sağlayabiliyor mu ve elemanın esas olarak anahtar mı yoksa yükselteç mi olarak çalışması gerekiyor? Başka bir alıştırma örneği isterseniz, farklı bir yük akımıyla kendi sürümünüzü deneyin ve BJT mi yoksa MOSFET mi daha uygun karşılaştırın.