Как проверить полевой транзистор, MOSFET-транзистор.

Как проверить полевой транзистор,

MOSFET-транзистор.

 В современной электронной аппаратуре, в блоках питания, мониторах, системных платах ПК и другой аппаратуре все чаще находят применение полевые транзисторы. При проведении ремонта мы сталкивается с необходимостью проверки исправности мощных полевых транзисторов. В данной статье даны рекомендации по проверке полевого транзистора и мерах предосторожности при работе с этими компонентами электронных схем.

Полевые транзисторы (MOSFET-транзисторы). Полевые транзисторы (ПТ), благодаря ряду уникальных параметров, в том числе высокому входному сопротивлению, находят широкое применение в блоках питания ПК, телевизоров, мониторов, видеомагнитофонов и другой радиоэлектронной аппаратуры. В качестве электронного ключа импульсных преобразователей напряжения питания компонентов материнских плат всегда используется пара полевых n-канальных МОП-транзисторов (MOSFET-транзисторы).  

Обозначение этого типа транзисторов показано на рис. 1 (для сокращения числа внешних компонентов в транзистор может быть встроен мощный высокочастотный демпферный диод). MOSFET - это аббревиатура от английского словосочетания Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor (Металл- Оксидные Полупроводниковые Полевые Транзисторы). Данный класс транзисторов отличается, прежде всего, минимальной мощностью управления при значительной выходной мощности (сотни ватт). В открытом состоянии ПТ имеют чрезвычайно малые значения сопротивления (десятые доли Ома при выходном токе в десятки ампер), а следовательно, минимальную мощность, выделяющуюся на транзисторе в виде тепла.

Рис. 1. Обозначение MOSFET транзисторов (G - затвор, D - сток, S - исток): а - обозначение N-канального транзистора; б -  обозначение Р-канального транзистора.

 К неоспоримым преимуществам MOSFET транзисторов перед биполярными можно отнести следующие:

  - минимальная мощность управления и большой коэффициент усиления по току обеспечивает простоту схем управления (есть даже разновидность MOSFET, управляемых логическими уровнями);

  - большая скорость переключения (при этом минимальны задержки выключения, обеспечивается широкая область безопасной работы);

  - возможность простого параллельного включения транзисторов для увеличения выходной мощности;

  - устойчивость транзисторов к большим импульсам напряжения (dv/dt).

Поэтому данные приборы находят широкое применение и в устройствах управления мощной нагрузкой, импульсных источниках питания (до 1000 В).

 MOSFET с N-каналом наиболее популярны для коммутации силовых цепей. Напряжение управления или напряжение, приложенное между затвором и истоком для включения MOSFET, должно превышать порог UT 4В, фактически необходимо 10-12В для надежного включения MOSFET. Снижение напряжения управления до нижнего порога UT приведет к выключению MOSFET. Силовые MOSFET выпускают различные производители:

  - HEXFET (фирма NATIONAL);

  - VMOS (фирма PHILLIPS);

  - SIPMOS (фирма SIEMENS).

При ремонте аппаратов, в которых применены полевые транзисторы, у ремонтников очень часто возникает задача проверки целостности и работоспособности этих транзисторов. Чаще всего приходится иметь дело с вышедшими из строя мощными полевыми транзисторами импульсных блоков питания.          

Эквивалентные схемы ПТ. В отличие от биполярных, полевых транзисторов существует много видов и при проверке надо учитывать, с каким из них вы имеете дело. Так, для проверки транзисторов, имеющих затвор на основе запорного слоя p-n-перехода, можно воспользоваться эквивалентной схемой, приведенной на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентные схемы р-канальных и n-канальных полевых транзисторов (с – сток; З –затвор; и – исток)

             Во многих мощных MOSFET-транзисторах между стоком и истоком имеется встроенный обратно включенный (параллельно) диод. Такой переход ведет себя как обычный диод, если изменить полярность питания — это надо знать, чтобы ошибочно не принять транзистор за пробитый. В наличии такого диода и его исправности можно убедиться при помощи мультиметра. Эквивалентная цепь MOSFET показана на рис. 3. Два емкостных сопротивления между затвором и истоком, затвором и стоком приводят к задержке переключения, если драйвер не может поддерживать большой ток включения. Еще одно емкостное сопротивление транзистора находится между стоком и истоком, но из-за внутренней структуры транзистора шунтируется паразитным диодом, образованным между стоком и истоком. К сожалению, паразитный диод не быстродействующий и его не следует принимать во внимание, а для ускорения переключения вводится дополнительный шунтирующий диод.

Рис. 3. Схема замещения MOSFET: а - первый вариант эквивалентной схемы; б - второй вариант эквивалентной схемы с замещением транзистора диодом.

 Расположение выводов полевых транзисторов (Gate - Drain - Source) может быть различным. Чаще всего выводы транзистора можно определить по маркировке на плате ремонтируемого аппарата (обычно выводы маркируются латинскими буквами G, D, S). Если такой маркировки нет, то желательно воспользоваться справочными данными.

            Меры предосторожности. Многие маломощные «полевики» (особенно с изолированным затвором) очень чувствительны к статике. Чтобы предотвратить выход из строя транзистора во время проверки, очень важно при проверке полевых транзисторов соблюдать правила безопасности. Их рекомендуется проверять, предварительно организовав заземление. Для того чтобы снять с себя накопленные статические электрические заряды, необходимо , например, надеть на руку заземляющий антистатический браслет.

            При отсутствии браслета достаточно коснуться рукой батареи отопления или любых заземленных предметов, так как электростатические заряды между телами при их разделении распределяются пропорционально массе тел. Поэтому для их «обезвреживания» бывает достаточно прикоснуться даже к любой большой незаземленной металлической поверхности.

            Таким образом, перед тем как брать в руки такой транзистор, обязательно позаботьтесь о том, чтобы на вашем теле не оказалось зарядов.

            Также следует помнить, что при хранении полевых транзисторов, особенно маломощных, их выводы должны быть замкнуты между собой. Мощные полевые транзисторы часто имеют защиту от статики, но несмотря на это, все равно пренебрегать мерами предосторожности не следует.

            Цоколёвки полевых транзисторов. У полевых транзисторов, выполненных по технологии МОП (металл-оксид-полупроводник) или МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) или MOSFET (Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor) расположение выводов (цоколевка) Затвор (Gate) – Сток (Drain) – Исток (Source) может быть различным. Чаще всего выводы транзистора можно определить по маркировке на плате ремонтируемого аппарата (обычно выводы маркируются латинскими буквами G, D, S). Если такой маркировки нет, то желательно воспользоваться справочными данными (datasheet), которые можно найти в инете (например на сайте alldatasheet.com).

            Рассмотрим основные типы корпусов  и цоколевку полевых транзисторов импортного производства:

 1) Корпус типа D²PAK, так же известен как TO-263-3 (встречается в основном на «пожилых» платах, на современных используется редко).

2) Корпус типа DPAK, так же известен как TO-252-3(используется наиболее часто, представляет собой уменьшенный D²PAK).

3) Корпус типа SO-8 (встречается на материнских платах ПК и видеокартах, внутри может скрываться один или два полевых транзистора).

4) Корпус типа SuperSO-8, он же - TDSON-8 (отличается от SO-8 тем, что 4 вывода соединены с подложкой транзистора, что облегчает температурный режим, корпус характерен для продуктов фирмы Infineon и  легко заменяется на аналог в корпусе SO-8).

5) Корпус типа IPAK так же известен как TO-251-3 (полный аналог DPAK, но с полноценной второй ногой, этот тип транзисторов очень часто использует фирма Intel на ряде своих плат).

            Для электронных компонентов иностранного производства справочные данные берутся из Datasheet - официального документа от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д. (Datasheet обычно представляет собой файл в формате PDF).

                Ниже показаны примеры цоколевок MOSFET-транзисторов: на рис. 4 -  uPA2724UT1A, на рис. 5 - Texas Instruments MOSFET CSD16321Q5C, на рис. 6 - LowRDS(on) мосфеты K03В7 и K0393 (RJK0393DPA), на рис. 7 -  MOSFET-транзисторы NTMFS4834N, на рис. 8 -  Vishay Siliconix Dual N-Channel 30-V (D-S) MOSFET (with Schottky Diode) Si4370DY.

Рис. 4.  MOSFET-транзисторы uPA2724UT1A

Рис. 5. Texas Instruments MOSFET CSD16321Q5C

Рис.6. LowRDS(on) мосфеты K03В7 и K0393 (RJK0393DPA)

Рис. 7. MOSFET-транзисторы NTMFS4834N

Рис. 8. Vishay Siliconix Dual N-Channel 30-V (D-S) MOSFET (with Schottky Diode) Si4370DY

Методики проверки исправности полевых транзисторов.

Основные характеристики N-канального полевого транзистора. Различных параметров важных, и не очень, у полевых транзисторов достаточно много. Но мы с прикладной точки зрения ограничимся рассмотрением практически необходимых нам параметров:

  - Vds - Drain to Source Voltage - максимальное напряжение сток-исток;

  - Vgs - Gate to Source Voltage - максимальное напряжение затвор-исток;

  -  Id - Drain Current - максимальный ток стока;

  -  Vgs(th) - Gate to Source Threshold Voltage - пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток;

  - Rds(on) - Drain to Source On Resistance - сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии;

  -  Q(tot) - Total Gate Charge – полный заряд затвора.

 Параметр Rds(on) может указываться при разных напряжениях затвор-исток, как правило это 10 и 4.5 вольта, это важная особенность которую нужно обязательно учитывать.

Проверка  ПТ обычным омметром. При проверке ПТ чаще всего пользуются обычным стрелочным омметром (предел х100). Для прозвонки подойдет обычный стрелочный омметр (но, цифровым прибором в режиме контроля р-n-переходов это делать более удобно). При проверке сопротивления между истоком и стоком надо обязательно не забыть снять заряд с затвора после предыдущих измерений (кратковременно замкните его с истоком), а то можно получить неповторяющийся результат.

У исправного полевого транзистора между всеми его выводами должно быть бесконечное сопротивление. Причем бесконечное сопротивление прибор должен показывать независимо от прикладываемого тестового напряжения.

Но имеются некоторые исключения. Если при проверке приложить положительный щуп тестового прибора к затвору (G) транзистора n-типа, а отрицательный - к истоку (S), зарядится емкость затвора и транзистор откроется. При замере сопротивления между стоком (D) и истоком (S) прибор покажет некоторое значение сопротивления, которое зависит от ряда факторов. Неопытные ремонтники могут принять такое поведение транзистора за его неисправность. Поэтому перед «прозвонкой» канала «сток-исток» замкните накоротко все ножки транзистора, чтобы разрядить емкость затвора. После этого сопротивление сток-исток должно стать бесконечным. В противном случае транзистор признается неисправным.

Как уже было упомянуто выше, в современных мощных полевых транзисторах между стоком и истоком имеется встроенный диод поэтому канал «сток-исток» при проверке ведет себя как обычный диод. Для того чтобы избежать досадных ошибок при контроле, необходимо помнить о наличии такого диода и не принимать это за неисправность транзистора. А убедиться в наличии такого диода достаточно просто - нужно поменять местами щупы тестера, и он должен показать бесконечное сопротивление между стоком и истоком. Если этого не произошло, то, скорее всего, транзистор пробит. В остальном проверка транзистора не отличается от приведенной выше. Таким образом, имея под рукой обычный омметр, можно легко и быстро проверить и мощный полевой транзистор.

Процесс проверки полевого транзистора цифровым мультиметром

            Более удобно это делать цифровым мультиметром в режиме тестирования P-N переходов (предел, отмеченный значком ). Показываемое мультиметром значение сопротивления на этом пределе численно равно напряжению на P-N переходе в милливольтах.

            Рассмотрим проверку на примере транзистора 20N03 (рис. 9). Система маркировки полевого транзистора 20N03 означает, что он рассчитан на напряжение (Vds) ~30V и ток (Id) ~20A. Буква N означает, что это N-канальный транзистор. Но из любого правила есть исключения, так, например, фирма Infineon указывает в маркировке Rds, а не максимальный ток.

            У исправного полевого транзистора между всеми его выводами должно быть бесконечное сопротивление. Причем бесконечное сопротивление прибор должен показывать независимо от полярности прикладываемого напряжения (щупов). В современных мощных полевых транзисторах между стоком и истоком имеется встроенный диод поэтому канал «сток-исток» при проверке ведет себя как обычный диод.

Рис. 9.

             Черным (отрицательным) щупом прикасаемся к подложке - D (СТОКУ), красным (положительным) - к выводу S (ИСТОКА).  Мультиметр показывает прямое падение напряжения на внутреннем диоде (500 - 800 мВ). В обратном смещении мультиметр должен показывать бесконечно большое сопротивление, транзистор закрыт.

            Далее, не снимая черного щупа, касаемся красным щупом вывода G (ЗАТВОРА) и опять возвращаем его на вывод S (ИСТОКА). Мультиметр показывает близкое к нулю значение, причём при любой полярности приложенного напряжения - полевой транзистор открылся прикосновением (на некоторых цифровых мультиметрах возможно значение будет не 0, а 150...170 мВ).

            Если теперь черным щупом коснуться вывода G (ЗАТВОРА), не отпуская красного щупа, и вернуть его на вывод подложки - D (СТОКА), то полевой транзистор закроется и мультиметр снова будет показывать падение напряжения на диоде. Это верно для большинства N-канальных полевых транзисторов в корпусе DPAK и D²PAK, применяемых на материнских платах и видеокартах. Если транзистор выполнил всё правильно, как указано выше то он исправен.

            Для проверки P-канальных полевых транзисторов нужно поменять полярность напряжений открытия-закрытия (для этого просто меняем щупы мультиметра местами).