Meetapparatuur ter beproeving van FET's

De goede eigenschappen van de Fieldeffecttransistor (FET) komen nog beter tot hun recht wanneer uit een groot aantal FET's de FET kan worden gekozen die het meest geschikt is voor de te gebruiken schakeling. Het is bovendien minder tijdrovend alle onderdelen door te meten alvorens tot bouwen wordt overgegaan dan te moeten meten nadat het apparaat reeds is samengesteld. Om deze redenen kan een meetapparaat voor FET's goede diensten bewijzen.

Er wordt een eenvoudig apparaat beschreven dat in de meeste gevallen met onderdelen uit de junk-box kan worden samengesteld. Vervolgens beschrijven we een apparaat waarmee een ID/UGS karakteristiek kan worden opgenomen, ook bij dit apparaat worden geen hoge eisen aan de te gebruiken materialen gesteld.

De werking

De polariteit van de spanningen in het meetapparaat gelden voor de meest gebruikte N-kanaal FET's. Voor het meten van de minder toegepaste P-kanaal FET's moeten spanningsbronnen en meter worden omgepoold.

De N-kanaal FET's zijn voor wat betreft hun werking en polariteit van de spanningen met buizen als trioden en tetroden te vergelijken:

Source - kathode
Gate 1 - stuurrooster
Gate 2 - schermrooster
Drain - anode

Wij hopen dat deze vergelijking tevens voor enkele lezers een hulpmiddel betekent om de werking van een FET te begrijpen.

Het eenvoudige meetapparaat

Fig. 1
Fig. 1.

Bovenstaand zien we het eenvoudige meetapparaat. Er worden twee platte batterijen toegepast als gescheiden bronnen voor de benodigde bedrijfsspanningen.

De spanning tussen drain en source (U_DS) is positief t.o.v. de source; de gate spanning U_G1S is is negatief t.o.v. de source.

De gate spanning U_G2S kan van een negatieve waarde onder nul tot ongeveer +1½ volt worden ingesteld. U_DS bedraagt onveranderd 4,5 V, een op 5 mA volle schaaluitslag geshunte meter wijst de drainstroom I_D aan.

De beide gate spanningen zijn met de 1 MOhm instelpotmeters instelbaar. Bij een FET met een enkele gate is de meting zeer eenvoudig: bij U_GS = 0 V is de drainstroom het grootst, de stroom wordt kleiner wanneer U_GS naar de negatieve waarde loopt. Hiermee kan in principe de meting plaatsvinden en grof de I_D/U_GS groep worden bepaald, bovendien krijgen we zeker een indruk van de steilheid.

Ter controle van de statische karakteristiek (statische karakteristiek wil zeggen de karakteristiek opgenomen bij een door de gelijkstroom weerstand bepaalde ingangsweerstand (de 100 MOhm is hierbij kortgesloten)), wordt de 100 MOhm weerstand, die in de gate 1 leiding is opgenomen, door het drukken op de drukschakelaar, in serie met de gate spanning gelegd.

Hierdoor krijgt de gate spanningsbron een inwendige weerstand van 100 MOhm.

Bij goede FET's verandert de eerder ingestelde en aangewezen drainstroom niet bij het vergroten van de inwendige weerstand van de gate spanningsbron van ±100 kOhm naar 100 MOhm. Zou de drainstroom bij het inschakelen van de 100 MOhm b.v. 10% dalen, dan zou de ingangsweerstand van de FET slechts 10x zo groot zijn, dus 100 MOhm (1 GOhm). Dit is ver onder de normale waarde!

Het tweede meetapparaat met meer mogelijkheden

De eigenschappen van FET's hebben van exemplaar tot exemplaar een grote spreiding. Zo kan b.v. bij de veel toegepaste typen BF244 en BF245 de drainstroom tussen 2 en 25 mA (U_DS = 15 V en U_GS = 0 V) liggen; de voor het sperren benodigde gate spanning (U_DS = 15 V en I_D = 10 mA) kan tussen -0,5 V en -8 V liggen.

Fig. 2
Fig. 2.

Bovenstaande grafiek last het tolerantieveld voor de I_D/U_GS karakteristiek van dit transistortype zien.

Voor het type BF244/245 is er een indeling in drie groepen:

Groep	I_D bij U_DS = 15 V, U_GS = 0V	-U_GS voor I_D = 200 µA bij U_DS = 15 V
A	2,0 - 6,5 mA	0,4 - 2,2 V
B	6,0 - 15,0 mA	1,6 - 3,8 V
C	12,0 - 25,0 mA	3,2 - 7,5 V

Veel andere typen kennen een dergelijke indeling niet.

Teneinde optimale resultaten in een schakeling to bereiken, moet de FET aan de hand van zijn karakteristiek worden uitgezocht.

Voor trappen waarin een hoge kruismodulatievastheid moet worden bereikt is een FET met een Lange vlakke karakteristiek gunstig, is daarentegen een grote versterking gewenst dan is een steile karakteristiek nodig.

Fig. 3
Fig. 3.

Vorenstaande schakeling maakt het mogelijk eenvoudige karakteristieken op te nemen. Door middel van een klein voedingsapparaat, dat twee spanningen afgeeft, is de drainspanning U_DS tot 15 V en de gatespanning U_GS tot -8 Volt verhoogd. De drainspanning is door een serietransistor en zenerdiode, de gate spanning door een zenerdiode gestabiliseerd.

De potentiometer om beide gatespanningen in te stellen wordt m.b.v. een buisvoltmeter in spanningswaarden (0,5 V stappen) geijkt. De meter heeft, door een inschakelbare shuntweerstand, een 20 mA bereik voor de drainstroom.

Met deze meetbereiken kunnen we de karakteristiek van de te gebruiken FET opnemen waarbij we bij hogere drainstromen dan 20 mA zeker op moeten passen dat de vermogensgrens niet wordt overschreden. Deze grens is voor het type BF245 b.v. 300 mW zodat bij een meetspanning van 15 Volt de drainstroom de 20 mA hoogstens zeer kortstondig mag overschrijden!

Ook hier wordt, ter controle van de statische karakteristiek, evenals bij het eerst beschreven meetapparaat, door het drukken op de schakelaar de 100 MOhm weerstand in serie met de gatespanning opgenomen.

Dubbel gate FET's

Fig. 4
Fig. 4.

Terwijl bij een dubbel gate FET gate 2 evenals gate I tussen -7 volt en 0 volt aangestuurd kan worden, zijn de aanstuurbereiken bij een dubbel gate MOSFET verschillend.

Gate 1 kan vanaf enige volts minus tot ongeveer +1 volt, en gate 2 daarentegen tot + 30% van de U_DS worden aangestuurd (dus tot ±+4 volt bij U_DS = 15 volt).

De waarde van 30 tot 40 procent van U_DS mag in geen geval worden overschreden en om deze redenen hebben beide schakelingen in de spanningsbron voor gate 2 een begrenzingsweerstand.

Nevenstaande figuur laat als voorbeeld de I_D/U_G1S karakteristiek zien van een dualgate MOSFET 3N140. De gate 2 spanning U_G2S is parameter. De figuur laat duidelijk de afhankelijkheid van de drainstroom van de beide gatespanningen zien.

Bij het beproeven van de tot nu toe bekende dualgate FET's mag gate twee niet per vergissing tot in het positieve spanningsbereik worden gestuurd. Bij het meten van dualgate MOSFET's moet alleen op de voor de verschillende typen maximaal toelaatbare spanningen en stromen worden gelet, evenals op de resulterende vermogens.

Vanzelfsprekend kunnen met deze apparaten ook de typen met geintegreerde beschermingsdioden, de z.g. transients trappers (b.v. 4067), worden gemeten.

De opbouw

Aangezien in de beschreven meetapparaten slechts gelijkspanningen en stromen optreden, is de bouw volledig onkritisch, of we nu zwevende bedrading gebruiken of het geheel op printjes bouwen. Het is alleen noodzakelijk dat e.e.a. goed afleesbaar is met zorgvuldig geijkte potmeterschalen.

Voor de gebruikte transistor werd een voetje ingebouwd. De transformator moet een vermogen van maximaal een watt of kunnen geven, waardoor het allerkleinste type nog wel te benutten is.

De serietransistor BSY52 kan worden vervangen door 2N1613 (BSY53) of door typen in een TO-18 behuizing als BC108 en 2N708. Als gelijkricht dioden kunnen vanwege de geringe spanningen en stromen alle silicium dioden worden toegepast.