FET Akım Kaynakları

Bugünkü yazımızda FET Akım Kaynaklarını göreceğiz. Bir FET sabit akım kaynağı, bir devreye sabit miktarda akım sağlamak için bir alan etkili transistör kullanan bir aktif devre türüdür. Bu noktada kendimize sormamız gereken bir önemli soru bulanmaktadır. Neden sabit bir akıma ihtiyacınız var

Sabit akım kaynaklar, sadece tek bir FET ve direnç kullanarak 100ua, 1ma veya 20mA gibi sabit bir akım değerine sahip biasing devreleri veya voltaj referansları oluşturmanın çok basit bir yoludur. Sabit akım kaynakları, doğru zamanlama amaçları için kondansatör şarj devrelerinde veya şarj edilebilir pil şarj uygulamalarında ve ayrıca LED’leri sabit parlaklıkta sürmek için doğrusal LED devrelerinde yaygın olarak kullanılır.

Dirençli voltaj referansları sabit akım kaynakları kullanılarak da oluşturulabilir. Çünkü direncin değerini biliyorsanız ve içinden akan akım sabitse, voltaj düşüşünü bulmak için Ohm yasasını kullanabilirsiniz. Bununla birlikte doğru ve güvenilir bir sabit akım kaynağı oluşturmanın anahtarı, akımı hassas ve kararlı bir voltaja dönüştürmek için düşük FET iletkenliklerinin yanı sıra hassas direnç değerlerinin kullanılmasına bağlıdır.

Alan etkili transistörler, düşük akım kaynağı uygulamalarında halihazırda kullanılan Junction-FET’ler (JFET’ler) ve Metal oksit yarı iletken MOSFET’LERLE bir akım kaynağı oluşturmak için yaygın olarak kullanılır. En basit haliyle JFET, küçük bir gate voltajının kanalının iletimini kontrol ettiği voltaj kontrollü bir direnç olarak kullanılabilir.

JFET’lerle ilgili eğitimimizde, JFET’in depletion cihazları olduğunu ve n-kanallı JFET’İN, gate’den source’a voltaj (VGS) “kapatmak” için yeterince negatif olana kadar “normalde açık” bir cihaz olduğunu gördük. Aynı zamanda “normalde açık” bir depletion cihazı olan P-kanal JFET, kapı voltajının “kapalı” hale getirecek kadar pozitif olmasını gerektirir.

N-kanal JFET Biasing

FET Akım Kaynakları
N-kanal JFET Biasing

Aktif bölgesinde kullanıldığında normal biasing ortak bir source yapılandırılmış N kanallı JFET için standart düzenlemeyi ve bağlantıları gösterir. Burada, vgs gate source voltajı, gate source veya VG giriş voltajına eşittir. Bu da gate ve source arasındaki ters biasing’i ayarlarken, VDD, drain’den source’a drain voltajı ve akımın drain’den sourca’a akışını sağlar. JFET boşaltma terminaline giren bu akım ID olarak etiketlenmiştir.

Drain source voltajı VDS, JFET’in ileri voltaj düşüşüdür ve drain akımının bir fonksiyonudur, VGS’NİN farklı gate source değerleri için ID’dir. VDS minimum değerindeyken, JFET’in iletken kanalı tamamen açıktır ve ID, drain’den source’a doygunluk akımı kimliği(sat) veya sadece IDSS olarak adlandırılan maksimum değerindedir.

VDS maksimum değerindeyken, jfet’in iletken kanalı tamamen kapatılır (sıkışır). Bu nedenle ID, drain-source voltajı ile sıfıra indirilir. VDS, drain besleme voltajı VDD’YE eşittir. JFET kanalının iletmeyi durdurduğu vgs gate voltajı, vgs gate kesme voltajı(kapalı) olarak adlandırılır. N-kanal jfet’in bu ortak source biasing düzenlemesi, herhangi bir giriş sinyalinin yokluğunda jfet’in kararlı durum çalışmasını belirler.

Bu nedenle, ortak source’lu bir JFET için gate source voltaj VGS, jfet’in drain ve source arasındaki iletken kanalından ne kadar akım akacağını kontrol eder. Bu da jfet’i voltaj kontrollü bir cihaz haline getirir. Çünkü giriş voltajı kanal akımını kontrol eder. Sonuç olarak, herhangi bir JFET cihazı için VGS’YE karşı ID çizerek bir dizi çıkış karakteristik eğrisi geliştirebiliriz.

N-Kanal JFET Çıkış Karakteristiği

FET Akım Kaynakları
N-Kanal JFET Çıkış Karakteristiği

Sabit Akım Kaynağı Olarak JFET

Daha sonra n-kanal JFET’in normal olarak açık bir cihaz olduğunu ve VGS yeterince negatifse, drain source iletken kanalının kapandığını (kesildiğini) ve drain akımının sıfıra düştüğünü görebiliriz. N-kanal JFET için, drain ve source arasındaki iletken kanalın kapanması, kanalı tamamen kapatana kadar kapının etrafındaki p-tipi tükenme bölgesinin genişlemesinden kaynaklanır. N-tipi tükenme bölgeleri, bir p-kanalı JFET için kanalı kapatır.

Bu nedenle, gate source voltajını önceden belirlenmiş bir sabit negatif değere ayarlayarak, JFET’İN kanalından sırasıyla sıfır amper ve IDSS arasında belirli bir değerde akım iletmesine neden olabiliriz. Aşağıdaki devreyi düşünün.

JFET Sıfır Voltaj Biasing

FET Akım Kaynakları
JFET Sıfır Voltaj Biasing

JFET’İN çıkış özellikleri eğrilerinin, sabit bir VDS için VGS’YE karşı bir ID grafiği olduğunu gördük. Ancak JFET’İN eğrilerinin VDS’DEKİ büyük değişikliklerle çok fazla değişmediğini ve bu parametrenin iletken kanalın sabit bir çalışma noktasının oluşturulmasında çok yararlı olabileceğini fark ettik.

En basit sabit akım kaynağı, jeft’in gate terminalinin gösterildiği gibi source terminaline kısa devre yapmasıdır, JFET’in iletken kanalı açıktır. Böylece içinden geçen akım akışı, jfet’in doymuş akım bölgesinde çalıştırılması nedeniyle maksimum IDSS değerine yakın olacaktır. Bununla birlikte, böyle bir sabit akım konfigürasyonunun çalışması ve performansı oldukça zayıftır. Çünkü JFET tamamen cihaz tipine bağlı olarak IDSS akım değeri ile sürekli olarak tam iletimdedir.

Örneğin, 2n36xx veya 2n43xx n-kanal JFET serisi sadece birkaç mill-amper (mA) iken, daha büyük n-kanal J1xx veya PN4xxx serisi birkaç on milliamper olabilir. Ayrıca IDSS’nin, üreticilerin datasheet’inde sundukları aynı parça numarasına sahip cihazlar arasında, bu sıfır gate voltajı tahliye akımının minimum ve maksimum değerleri olan IDSS arasında büyük ölçüde değişeceğini unutmayın.

Dikkat edilmesi gereken bir diğer nokta, bir FET’in temel olarak iletken kanalı drain ve source terminalleri ile seri olarak dirençli bir değere sahip olan voltaj kontrollü bir direnç olmasıdır. Bu kanal direncine RDS denir. Gördüğümüz gibi, VGS = 0 olduğunda, maksimum drain-source akımı akar. Bu nedenle jfet’in kanal direnci, RDS minimumda olmalıdır ve bu doğrudur.

Bununla birlikte, kanal direnci tamamen sıfır değildir ancak FET’İN üretim geometrisi tarafından tanımlanan ve 50 Ohm’a kadar yüksek olabilen bazı düşük ohmik değerlerde. Bir FET iletirken, bu kanal direnci yaygın olarak RDS(ON) olarak bilinir ve VGS = 0 olduğunda minimum dirençli değerindedir. Bu nedenle, yüksek bir RDS(ON) değeri düşük bir IDSS ile sonuçlanır ve bunun tersi de geçerlidir.

Bu nedenle, bir JFET, doygunluk akımının altındaki herhangi bir akım değerinde sabit bir akım kaynağı cihazı olarak çalışmak üzere biasing olabilir, VGS sıfır volt’a eşit olduğunda IDSS. VGS, VGS (kapalı) kesme voltajı seviyesinde olduğunda, kanal kapalıyken sıfır boşaltma akımı (ID = 0) olacaktır. Bu nedenle kanallar akımı boşaltır, ID, JFET cihazı gösterildiği gibi aktif bölgesi içinde çalıştırıldığı sürece her zaman akacaktır.

JFET Transfer Eğrisi

FET Akım Kaynakları

Bir P-kanal JFET için, VGS(kapalı) kesme voltajının pozitif bir voltaj olacağını ancak doygunluk akımının, vgs sıfır volt’a eşit olduğunda elde edilen IDSS’NİN bir N-kanal cihazı ile aynı olacağını unutmayın. Ayrıca transfer eğrisinin doğrusal olmadığına dikkat edin, Çünkü vgs sıfır volt’a yaklaştıkça boşaltma akımı açılış kanalından daha hızlı artmaktadır.

JFET Negatif Gerilim Biasing

FET Akım Kaynakları

JFET’in her zaman “açık” olan bir depletion modu cihazı olduğunu hatırlıyoruz. Bu nedenle N-kanallı JFET’LER için negatif bir kapı voltajı ve P-kanallı JFET’ler için pozitif bir kapı voltajı gerektirir. “kapalı”. Pozitif voltajlı bir N-kanallı JFET’in biasing’i veya negatif voltajlı bir p-kanallı JFET’İN biasing’i, iletken kanalı daha da açacak ve kanal akımını IDSS’NİN ötesine zorlayacaktır.

Ancak ID’NİN karakteristik eğrilerini VGS’YE karşı kullanırsak, VGS’Yİ bazı negatif voltaj seviyelerine ayarlayabiliriz, örneğin-1v,- 2V veya-3V, sıfır ve IDSS arasında ihtiyaç duyduğumuz herhangi bir akım seviyesinde sabit bir JFET sabit akım kaynağı oluşturabiliriz.

Ancak geliştirilmiş regülasyona sahip daha doğru bir sabit akım kaynağı için, JFET’İ maksimum IDSS değerinin yaklaşık %10 ila %50’sinde biasing’lemek daha iyidir. Bu aynı zamanda dirençli kanal boyunca I2*r güç kayıplarına yardımcı olur ve bu nedenle ısıtma etkisini azaltır.

JFET Drain Akımı Denklemi

FET Akım Kaynakları
JFET Drain Akımı Denklemi

JFET Akım Kaynağı

Bir JFET, gate source bağlantısı ters biasing olduğunda voltaj kontrollü bir sabit akım kaynağı olarak çalışmak üzere yapılabilir ve bir N-kanal cihazı için a-VGS’YE ve bir P-kanal cihazı için a +VGS’YE ihtiyacımız vardır. Buradaki sorun, JFET’İN biri VDD için diğeri VGS için olmak üzere iki ayrı voltaj kaynağı gerektirmesidir.

Bununla birlikte, source ve toprak arasına bir direnç yerleştirirsek (0 volt), JFET’İN sadece VDD besleme voltajını kullanarak sabit bir akım kaynağı olarak çalışması için gerekli vgs kendinden biased süzenlemesini elde edebiliriz. Aşağıdaki devreyi düşünün.

FET Akım Kaynakları

İlk bakışta bu yapılandırmanın JFET öğreticisinde gördüğümüz bir JFET ortak drain (source takipçisi) devresine çok benzediğini düşünebilirsiniz.

Bununla birlikte bu seferki fark, FET’in gate terminalinin hala doğrudan toprağa bağlı olmasına rağmen (vg = 0), source terminalinin, source direnci RS’deki voltaj düşüşü nedeniyle sıfır voltaj topraklamasının üzerinde bir voltaj seviyesinde olmasıdır. Bu nedenle harici source direncinden akan bir kanal akımı ile, jfet’in gate’den source’a voltajı sıfırdan (vgs < 0) daha az (daha negatif) olacaktır.

Harici source direnci RS, drain source voltajındaki herhangi bir değişikliğe rağmen drain akımını kanal boyunca sabit tutan jfet’in gate terminalini kendi kendine biased’lemek için kullanılan bir geri besleme voltajı sağlar. Bu nedenle, ihtiyacımız olan tek voltaj kaynağı, boşaltma akımını ve biasing’i sağlamak için besleme gerilimi VDD’DİR. Bu nedenle JFET, vgs gate biasing voltajını ve dolayısıyla yukarıda gördüğümüz gibi kanal akımını ayarlamak için source direnci (VRS) boyunca voltaj düşüşünü kullanır.

Belirli bir N kanallı JFET için üretici datasheet’leri bize VGS(off) ve IDSS değerlerini verecektir. Bu iki parametrenin değerlerini bilerek, drain akımı için yukarıdaki JFET denklemini, drain akımının herhangi bir değeri için VGS değerini bulmak için ID’yi, gösterildiği gibi sıfır ve IDSS arasındaki ID’yi aktarabiliriz.

JFET Gate Source Voltaj denklemi

FET Akım Kaynakları
JFET Gate Source Voltaj denklemi

Belirli bir drain akımı için gerekli olan gate’den source’a voltajı bulduktan sonra, gerekli olan source biasing direnç değerinin değeri, r = V/I olarak Ohm Yasası kullanılarak bulunur.:

JFET Source Direnç Denklemi

FET Akım Kaynakları
JFET Source Direnç Denklemi

FET Sabit Akım Kaynağı Örneği

5mm yuvarlak kırmızı LED yükünün parlaklığını 8mA ile 15 mA arasında değiştirmek için bir N-kanal JFET gereklidir. JFET sabit akım kaynağı devresi 15 voltluk bir DC kaynağından beslenirse, anahtarlama JFET’İNİN maksimum VGS(kapalı) değeri -4.0 volt ve VGS = 0 olduğunda, 20mA IDSS’YE sahip olduğunda LED’i minimum ve maksimum parlaklık arasında aydınlatmak için gereken jfet’in source direncini hesaplayalım.

1). VGS için ID = 8mA

FET Akım Kaynakları

2). VGS için ID = 15mA

FET Akım Kaynakları

Daha sonra direncini 36Ω ile 184Ω arasında değiştirebilen harici bir potansiyometreye ihtiyacımız olacak. En yakın tercih edilen potansiyometre değeri 200Ω olacaktır.

Ayarlanabilir JFET Sabit Akım Kaynağı

FET Akım Kaynakları

Sabit bir değer source direnci yerine kullanılan bir potansiyometre veya düzeltici, RS, jfet’in iletken kanalından akan akımı değiştirmemize veya ince ayar yapmamıza izin verecektir.

Bununla birlikte, FET cihazı aracılığıyla iyi bir akım regülasyonu ve dolayısıyla daha kararlı bir akım akışı sağlamak için, LED’DEN akan maksimum kanal akımını (bu örnekte 15mA) JFETS IDSS değerinin %10 ila %50’si ile sınırlamak daha iyi olacaktır.

MOSFET’LERİ kullanarak sabit akım kaynakları oluşturmak, çok daha büyük kanal akımları ve daha iyi akım regülasyonu sağlar ve sadece normalde açık depeletion modu cihazları olarak mevcut olan JFET’LERİN aksine, MOSFET’LER hem tükenme modunda (normalde açık) hem de geliştirme modunda (normalde kapalı) mevcuttur.