Полевой транзистор схема включения: Схемы включения Полевых Транзисторов | Основы электроакустики

Содержание

Схемы включения Полевых Транзисторов | Основы электроакустики

Включение ПТ с управляющим p-n переходом и каналом n типа в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис.8.5, а, б.

Рис.8.5. Включение ПТ в схемы:

  • а) с общим истоком,
  • б) с общим стоком 

Постоянное напряжение Е1 обеспечивает получение определенного значения тока стока IС=E/(rСИ +RН) в зависимости от сопротивления канала rСИ. При подаче входного усиливаемого напряжения UВХ потенциал затвора меняется, а соответственно меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе RН. Приращение падения напряжения на резисторе RН при большом его значении гораздо больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. При изменении типа проводимости канала меняются только полярности приложенных напряжений и направления токов.

Включение МОП транзисторов в схемах показано на рис.8.6.

Для МОП транзистора со встроенным каналом смещение не является обязательным, так как при нулевом напряжении на затворе  транзистор  приоткрыт и через канал протекает ток стока IС НАЧ. При подаче положительного напряжения на затвор транзистор работает в режиме обогащения, сопротивления канала уменьшается, а ток стока IС увеличивается. При подаче отрицательного напряжения на затвор происходит обратный процесс. В МОП транзисторах с индуцированным каналом, включенных в схемы с общим истоком и общим стоком (рис.8.6, в, г), постоянное напряжение Е1 должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.

 Рис.8.6. Включение МОП транзисторов с каналом n-типа:

  • а) со встроенным каналом в схеме с ОИ,
  • б) с ОС,
  • в) с индуцированным каналом с ОИ,
  • г) с ОС

Схемы включения полевых транзисторов (для стенда)

Схемы включения полевых транзисторов (для стенда)

Подобно тому, как в различных электронных устройствах биполярные транзисторы работают с включением по схеме с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой, полевые транзисторы во многих случаях можно использовать аналогичным образом включая их: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором.
 

Разница заключается в способе управления: биполярный транзистор управляется током базы, а полевой транзистор — зарядом затвора. 

С точки зрения затрат энергии на управление, управление полевым транзистором получается в целом более экономичным, чем управление транзистором биполярным. Это один из факторов, объясняющих нынешнюю популярность полевых транзисторов. Рассмотрим, однако, в общих чертах типичные схемы включения полевых транзисторов.

Включение с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с общим истоком является аналогом схемы с общим эмиттером для биполярного транзистора. Такое включение весьма распространено в силу возможности давать значительное усиление по мощности и по току, фаза напряжения цепи стока при этом переворачивается.

Входное сопротивление непосредственно перехода затвор-исток достигает сотен мегаом, хотя оно может быть уменьшено путем добавления резистора между затвором и истоком с целью гальванически подтянуть затвор к общему проводу (защита полевого транзистора от наводок).

Величина этого резистора Rз (от 1 до 3 МОм обычно) подбирается так, чтобы не сильно шунтировать сопротивление затвор-исток, при этом не допускать перенапряжения от тока обратносмещенного управляющего перехода.

Существенное входное сопротивление полевого транзистора в схеме с общим истоком является важным достоинством именно полевого транзистора, при его использовании в схемах усиления напряжения, тока и мощности, ведь сопротивление в цепи стока Rс не превышает обычно единиц кОм. 

Включение с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с общим стоком (истоковый повторитель) является аналогом схемы с общим коллектором для биполярного транзистора (эмиттерный повторитель). Такое включение используется в согласующих каскадах, где выходное напряжение должно находиться в фазе с входным.

Входное сопротивление перехода затвор-исток как и прежде достигает сотен мегаом, при этом выходное сопротивление Rи сравнительно небольшое. Данное включение отличается более высоким частотным диапазоном, чем схема с общим истоком. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, так как напряжение исток-сток и затвор-исток для данной схемы обычно близки по величине.

Включение с общим затвором

Схема с общим затвором — подобие каскаду с общей базой для биполярного транзистора. Усиления по току здесь нет, потому и усиление по мощности многократно меньше, чем в каскаде с общим истоком. Напряжение при усилении имеет ту же фазу, что и управляющее напряжение.

Поскольку выходной ток равен входному, то и коэффициент усиления по току равен единице, а коэффициент усиления по напряжению, как правило, больше единицы.

В данном включении присутствует особенность — параллельная отрицательная обратная связь по току, ибо при повышении управляющего входного напряжения, потенциал истока возрастает, соответственно ток стока уменьшается, и снижает напряжение на сопротивлении в цепи истока Rи.

Так с одной стороны напряжение на сопротивлении истока увеличивается благодаря росту входного сигнала, но уменьшается снижением тока стока, это и есть отрицательная обратная связь.

Данный феномен делает шире полосу пропускания каскада в области высоких частот, поэтому схема с общим затвором популярна в усилителях напряжения высоких частот, и особенно востребована в высоко устойчивых резонансных схемах.

Анализ и расчет статических параметров транзистора в схеме с общим затвором 2

7.Маркировка транзисторов.

Маркировка транзисторов применяемая с 1972 г., предусматривает шестисимвольное буквенно-цифровое обозначение. При этом каждый символ несет следующую информацию о транзисторе. Первый символ – буква или цифра, указывает исходный полупроводниковый материал. Второй символ – буква, обозначает класс прибора: П– полевыe; Т – биполярные транзисторы. Третий символ – цифра (от 1 до 9), указывает на энергетическую и частотную характеристики биполярного и полевого транзисторов. Четвертый и пятый символы цифры (от 01 до 99), указывают порядковый номер разработки приборов. Деление по группам (шестой символ – буква) осуществляют по каким-либо параметрам прибора (коэффициенту передачи тока, обратному напряжению и др.). Например, маркировка КТ905А означает: кремниевый биполярный транзистор, мощность рассеяния более 1,5 Вт, рабочая частота выше 30 МГц, 5-я по порядку разработка, относится по своим параметрам к группе А.

8.Схемы включения.

Как указывалось выше, полевой транзистор может быть включен в схему тремя различными способами:

– с общим истоком,

– с общим стоком,

– с общим затвором.

 

Схема с общим истоком представлена на (рис. 4), она характеризуется высокими входным и выходным сопротивлениями и коэффициентом усиления по напряжению, большим единицы. Эта схема аналогична схеме включения электронной лампы с общим катодом. Входной сигнал подается между затвором и истоком, выходной снимается между стоком и истоком. Оба сигнала находятся в противофазе. Входное сопротивление каскада определяется сопротивлениемр-п-перехода затвора Rзи и достигает 10—1000 Мом на низкой частоте.

Входная емкость с учетом эффекта Миллера определяется междэлектродными емкостями транзистора и коэффициентом усиления каскада по напряжениюKн, при этом

 

                                 Свх = Сзи + (1 + Кн)*Сзс                                       ( 9 )

 

Выходное сопротивление каскада определяется параллельно включенными сопротивлением нагрузки Rн и динамическим сопротивлением стока Rд. При этом

 

                                   Rвых = Rд * Rн / Rд + Rн.                                   ( 10 )

 

Коэффициент усиления каскада по напряжению, как и в случае ламповой схемы, равен:

 

                         

                                 ( 11 )

где

                           

                                                          ( 12 )

собственный коэффициент усиления транзистора по напряжению. При Rд>>Rн получаем: Кн = Sмакс *Rн. При включении в цепь истока резистораR1, обеспечивающего отрицательную обратную связь по току, коэффициент усиления каскада по напряжению уменьшается до величины K’н, равной:

 

                          

                                             ( 13 )

 

Поскольку крутизна вольт-амперной характеристики полевого транзистора является функцией напряжения на затворе, то большие входные сигналы могут заметно искажаться. Поэтому схема с общим истоком может использоваться в качестве малосигнального усилителя с переменным коэффициентом усиления.

                 

Рис.4 Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком.

Схема с общим стоком или истоковый повторитель (рис.5) аналогична схеме катодного повторителя на электронной лампе. Входное сопротивление каскада выше, а выходное – ниже, чем в случае схемы с общим истоком; коэффициент усиления по напряжению меньше единицы. Входной сигнал подается между затвором и стоком, а снимается между истоком и стоком. Переворот фазы отсутствует.

Истоковый повторитель может быть использован в качестве трансформатора сопротивлений для связи источника сигнала с высоким выходным сопротивлением и схемы с низким входным сопротивлением.

                          

Рис 5. Включение полевого транзистора по схеме с общим стоком.

Схема с общим затвором (рис.6) аналогична ламповой схеме с общей сеткой. Эта схема характеризуется низким входным и высоким выходным сопротивлениями и может быть использована в качестве трансформатора полных сопротивлений для связи между источником сигнала с низким выходным сопротивлением и схемой с высоким входным сопротивлением.

Входное сопротивление каскада равно:

                                    

                                                  ( 14 )

а входная  емкость Свх равна межэлектродной емкости затвор – исток.

Выходное сопротивление каскада с общим затвором определяется, как и в случае каскада с общим истоком, параллельно включенными сопротивлением нагрузки и динамическим сопротивлением стока (см. формулу ( 10 )).

Коэффициент усиления каскада по напряжению с учетом сопротивления источника сигнала Rг равен:

 

                                      

                               ( 15 )

 

Каскады с общим затвором могут использоваться в высокочастотных схемах, однако в многокаскадных схемах коэффициент усиления снижается из-за несогласованности выходных и входных сопротивлений.

                    

 

Рис.6. Включение полевого транзистора по схеме с общим затвором.

 

9.Система параметров и методика их измерения.

 

По аналогии с ламповой электроникой, в которой за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком. Распространенная в ламповой электронике для характеристики элементов четырехполюсника система проводимостей или         y-параметров, может быть с успехом применена и для характеристики параметров полевых транзисторов.

Для схемы с общим истоком переход от параметров четырехполюсника к параметрам собственно полевого транзистора, независящим от схемы включения, осуществляется довольно просто. При таком включении каждая из проводимостей эквивалентной схемы имеет точный физический смысл, а именно:

1 ) входная проводимость определяется проводимостью участка затвор – исток, т. е.

                              у з.и =    у 11 + у 12                                                      ( 16 )

 

2 ) входная проводимость определяется проводимостью участка сток – исток, т. е.

                                 у и.с = у 22 + у 21                                                       ( 17 )

 

3 ) функция прямой передачи определяется крутизной ВАХ , т. е.

                                 S = y 21 + y 12                                                            ( 18 )

4 ) функция обратной передачи определяется проходной проводимостью

                                  у з.с = – у 12                                                              ( 19 )

Эти параметры принимаются за первичные параметры ПТ, используемого в качестве четырехполюсника. Эквивалентная схема включения ПТ в качестве усилительного элемента имеет вид, представленный на рис. 7. Если первичные параметры четырехполюсника для схемы с общим истоком известны, то можно произвести расчет параметров для любой другой схемы включения ПТ.

В настоящее время нет единой спецификации параметров ПТ и наряду с у – параметрами часто приводятся значения максимального тока стока Iмакс, напряжения отсечки U 0 и крутизны S.

 

Рис. 7. Эквивалентная схема включения ПТ в качестве усилительного элемента.

Информацию об усилительных свойствах полевого транзистора можно получить из рассмотрения семейства статических вольт-амперных характеристик. Методика снятия этих характеристик не отличается от аналогичной методики для вакуумных ламп. Самым простым методом является снятие характеристик по точкам. Поскольку схема с общим истоком является типовой, то обычно при снятии вольт-амперных характеристик стока исток заземляется, а к стоку и затвору подключаются регулируемые источники напряжения соответствующей полярности и измерительные приборы (рис. 8).

 

Рис.8 Схема измерения параметров полевых транзисторов.

Полное семейство вольт-амперных характеристик стока можно получить также с помощью характериографа. При этом на сток полевого транзистора необходимо подавать напряжение развертки пилообразной формы, а на затвор – ступенчатое напряжение. Полярности пилообразного и ступенчатого напряжений должны выбираться в соответствии с полярностью испытываемого транзистора.

По семейству вольт-амперных характеристик легко определить величину Iмакс и зависимость тока стока в режиме насыщения от напряжения на затворе.

При определении с помощью статических характеристик напряжения отсечки U0 и крутизны S встречается ряд затруднений. Поскольку переход от омической области к пентодной на вольт-амперных характеристиках происходит плавно, для определенияU0 необходимо измерять напряжение на затворе, при котором ток стока уменьшается до нуля. Так как между истоком и стоком запертого транзистора всегда существует некоторый остаточный ток, то при определенииUо необходимо установить какой-то критерий для остаточного тока стока. Таким критерием может быть определенная величина тока стока, например 0,1 мка, или определенный процент от значения максимального тока стока, обычно 0.1—0.5%.

 

10.Расчетная часть.

Для определения статических параметров используем вольт – амперную характеристику выходную и прямой передачи. Рассмотрим эти характеристики для транзистора КП 103 К. Это транзистор с р-каналом.

Определим статические параметры для схемы с общим затвором.

1 ) Крутизна ( проводимость прямой передачи ) равна:

                       

На характеристике прямой передачи найдем       Icи        Uзи:

                           

                          

2 ) Выходное сопротивление равно:

                           

На выходной характеристике найдем        Uзс и      Ic

                  Uзс = 4 В,     Ic = 0.2 mA

                            

3 ) Коэффициент усиления по напряжению равен:

                                   = S * Ri

                               = 1.2 * 20 = 24

 

11.Эксперементальное исследования

 

Соберем эксперементальную схему в Worcbench.

Транзистор КП 103 К

 

 

1. Снятие выходной характеристики транзистора.

Будем изменять Езс при постоянном Ези

                                   Uзи = 0.5 В

 

                              Uзс = 4 В           Ic = 0.17 mA

2. Снятие характеристики прямой передачи.

Будем изменять Ези при постоянном Езс

Uзс = -5 В

                                    Uзи = 0.5 В

                                    Ic = 0.7mA

                

                 

                                    

Выводы

 

Чтобы схемы на полевых транзисторах имели широкое применение в будущем, они должны иметь преимущество перед существующими интегральными схемами. В основном эти преимущества не будут в характеристиках. Биполярные интегральные схемы с их низким пороговым напряжением, высоким коэффициентом усиления и низким напряжением насыщения превосходят МОП-схемы, если сравнивать по быстродействию и мощности.

Теория работы полевых транзисторов в настоящее время достаточно хорошо разработана и довольно успешно применяется при конструировании цифровых логических схем

Дальнейшее совершенствование полевых транзисторов развивается в следующих направлениях: увеличение быстродействия, уменьшение размеров и потребляемой мощности, применение новых технологических приемов в изготовлении МОП- и КМОП-структур ИМС, увеличение граничной частоты (быстродействия) и мощности, уменьшение собственных шумов и влияния дестабилизирующих факторов приборов дискретного действия, уменьшение разброса и увеличение стабильности всех параметров полевых транзисторов, создание новых конструктивных разновидностей с использованием как кремния, так и других полупроводниковых материалов, принципиально новых приборов на основе использования свойств и эффектов, присущих полевым транзисторам.

Заключение

          В данной работе рассматривался принцип действия полевого транзистора с p-n переходом. Были рассчитаны статические параметры полевого транзистора с общим затвором теоретически и экспериментально. Небольшие расхождения между статическими параметрами, определенными теоретически и экспериментально, связаны с неточностью графоаналитического метода.

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.

Кроме транзисторов и сборок Дарлингтона есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы.
Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.

МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.


Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая
мощность на управление этим транзистором будет мизерной
, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:

  • На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
  • применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.

    Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных. Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

  • Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или ID выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это VGS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость ID от VDS при разных значениях VGS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I2R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или ton,toff, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора Ciss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.

Узнаем как ие бывают схемы включения транзисторов

Поскольку биполярный транзистор является классическим трехполюсником, существует три возможных способа его включения в электронную схему с одним общим для входа и выхода выводом:

  • с общей базой (ОБ) — высокий коэффициент передачи по напряжению;
  • с общим эмиттером (ОЭ) – усиленный сигнал как по току, так и по напряжению;
  • с общим коллектором (ОК)– усиленный сигнал по току.

В каждой из трех разновидностей схемы включения транзистора она по-разному реагирует на входной сигнал, поскольку статические характеристики ее активных элементов зависят от конкретного решения.

Схема с общей базой является одной из трех типовых конфигураций включения биполярных транзисторов. Обычно она используются в качестве токового буфера или усилителя напряжения. Такие схемы включения транзисторов отличаются тем, что эмиттер здесь выступает в качестве входной цепи, выходной сигнал снимается с коллектора, а база «заземлена» на общий провод. Аналогичную конфигурацию имеют схемы включения ПТ в усилителях с общим затвором.

Табл.1. Основные параметры усилительного каскада по схеме ОБ.

Параметр

Выражение

Коэфф.усиления по току

Ik/Iin=Ik/Ie= α[α<1]

Вх. сопротивление

Rin=Uin/Iin=Ube/Ie

Схемы включения транзисторов ОБ отличаются стабильными температурными и частотными свойствами, что обеспечивает малую зависимость их параметров (коэффициента передачи по напряжению, току, входного сопротивления) от температурных условий рабочей среды. К недостаткам схемы можно отнести малое RВХ и отсутствие усиления по току.

Схема с общим эмиттером обеспечивает очень высокое усиление и дает на выходе инвертированный сигнал, который может иметь довольно большой разброс. Коэффициент передачи в этой схеме в значительной степени зависит от температуры тока смещения, вследствие чего фактическое усиление имеет несколько непредсказуемый характер. Эти схемы включения транзисторов обеспечивают высокое RВХ, коэффициент усиления по току и напряжению, инвертирование входного сигнала, удобство включения. К недостаткам можно отнести проблемы, связанные с  переусилением — возможность возникновения спонтанной положительной обратной связи, появления искажений при малых сигналах из-за низкого входного динамического диапазона.

Табл.2. Основные параметры усилительного каскада по схеме ОЕ

Параметр

Выражение

Коэфф. усиления по току

Iout/Iin=Ik/Ib=Ik/(Ie-Ik) = α/(1-α) = β[β>>1]

Вх. сопротивление

Rin=Uin / Iin=Ube/Ib

Схема с общим коллектором (в электронике известная также как эмиттерный повторитель) является одной из трех разновидностей схемы включения транзисторов. В ней входной сигнал подается по базовой цепи, а выходной снимается с резистора в эмиттерной цепи транзистора. Такая конфигурация усилительного каскада, как правило, используются в качестве буфера напряжения. Здесь база транзистора выполняет функции входной цепи, эмиттер является выходом, а заземленный коллектор служит общей точкой, отсюда и название схемы. Аналогами могут служить схемы включения полевых транзисторов с общим стоком. Достоинством данного способа является довольно высокое входное сопротивление усилительного каскада и относительно низкое выходное.

Табл.3. Основные параметры усилительного каскада по схеме ОК.

Параметр

Выражение

Коэфф. усиления по току

Iout/Iin = Ie/Ib = Ie/(Ie-Ik) = 1/(1-α)= β [β>>1]

Кофф. усиления по напряжению

Uout /Uin = URe/(Ube+URe) < 1

Вх. сопротивление

Rin=Uin/Iin=Ube/Ie

Все три типовых схемы включения транзисторов широко используются в схемотехнике, в зависимости от назначения электронного устройства и условий его применения.

В каких схемах работает полевой транзистор и какова его эквивалентная схема?

Полевой транзистор, так же как и биполярный, может работать в следующих усилительных схемах, упрощенно показанных на рис. 4.24; схема с общим истоком (ОИ) — аналог схемы ОЭ; схема с общим затвором (ОЗ) — аналог схемы ОБ, схема с общим стоком (ОС) — аналог схемы ОК.

Рис. 4.24. Схемы включения полевого транзистора:

а — с общим истоком; б — с общим затвором; в — с общим стоком

Для каждой из этих схем можно определить соответствующую эквивалентную схему. На рис. 4.25 показана упрощенная физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ с нагрузкой в цепи стока — резистором сопротивлением Rн. Емкость Сзи лежит обычно в пределах 3—10 пФ, а емкость Сзсеще меньше.

Рис. 4.25. Физическая модель полевого транзистора, работающего в схеме с ОИ и нагрузкой Rн

Входная емкость транзистора в схеме с ОИ выражается зависимостью

Свх = Сзи = k·Сзс

причем коэффициент k зависит от S и Rн и он тем больше, чем больше S и Rн. Емкость эквивалентной схемы достаточно просто можно измерить либо найти в справочниках, однако в них чаще даются «четырехполюсниковые» параметры транзистора. При этом следует помнить, что имеются следующие соотношения:

Сзс = С12; Сзс Сзи = С11

Параметр S можем определить из характеристик. Коэффициент усиления по напряжению в схеме с ОИ рассчитывается по формуле

KU= ΔUвых/ΔUвх = — S·Rн

Знак минус обозначает переворачивание фазы на 180° в схеме с ОИ.

Полевые транзисторы — Пособие по электротехнике

Полевой транзистор является очень широко используемым активным (т. е. способным усиливать сигналы) полупроводниковым прибором. Впервые он был предложен в 1930 году.

       Полевыми транзисторами называют активные полупроводниковые приборы, в которых выходным током управляют с помощью электрического поля (в биполярных транзисторах выходной ток управляется входным током).

       Полевые транзисторы называют также униполярными, так как в процессе протекания электрического тока участвуют только основные носители.

       Различают два вида полевых транзисторов: с управляющим переходом и с изолированным затвором.

       Устройство полевого транзистора. Схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа приведено на рис 4.1,а условное графическое обозначение этого транзистора – на рис. 4.2,а. Стрелка указывает направление от слоя p к слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Рис. 4.1. Структура полевого транзистора

Удельное сопротивление слоя n (затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область pnперехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое p.

       Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим pnпереходом и каналом nтипа. Его условное графическое обозначение представлено на рис. 4.2,б.

       Схемы включения транзистора. Для полевого транзистора, как и для биполярного, выделяют три схемы включения. Для полевого транзистора это схемы с общим затвором (ОЗ), общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Наиболее часто используют схемы с общим истоком (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Схема включения полевого транзистора с общим истоком (ОИ)




Цепи переключения на полевых транзисторах со смещением

| Схема переключения полевого МОП-транзистора

Цепи переключения смещения на полевых транзисторах:

Переключение полевого транзистора — Схема переключения полевого транзистора со смещением обычно находится в выключенном состоянии с нулевым током стока или во включенном состоянии с очень малым напряжением сток-исток. Когда полевой транзистор выключен, ток утечки сток-исток настолько мал, что им почти всегда можно пренебречь. Когда устройство включено, падение напряжения сток-исток зависит от сопротивления канала (r DS (on) ) и тока стока (I D ).

Полевые транзисторы, разработанные специально для коммутации, имеют очень низкое сопротивление канала. Например, у 2N4856 r DS (вкл.) = 25 Ом. При низких уровнях I D r DS (on) может быть намного меньше, чем типичное значение 0,2 В V CE (sat) для BJT. Это важное преимущество переключателя на полевом транзисторе перед переключателем BJT.

Цепь переключения JFET с прямой связью:

Схема переключения полевых транзисторов с прямым смещением показана на рис.10-54 (a), а формы сигналов схемы показаны на рис. 10-54 (b). Когда V i = 0, напряжения затвора и истока полевого транзистора равны, и нет проникновения области обеднения в канал. Выходное напряжение теперь составляет В o = В DS (вкл.) , как выражено уравнением. 10-20. Когда V i превышает напряжение отсечки полевого транзистора, устройство выключается, и выходное напряжение падает до V DD , как показано.

Предполагая, что V DS (on) очень мало, уровень тока стока определяется из,

Уравнение 10-21 можно использовать для определения R D , если указаны V DD и I D , или для вычисления I D , если известно R D .Затем можно использовать уровень I D для определения V DS (вкл.). Самый низкий ток стока, который можно использовать, должен быть намного больше, чем указанный ток утечки сток-исток для устройства.

Для отключения полевого транзистора напряжение V и должно превышать максимальное напряжение отсечки. Однако V i не должно быть настолько большим, чтобы напряжение сток-затвор (V DG = V DD + V i ) приближалось к напряжению пробоя. Практическое правило — выбирать входное напряжение на 1 В больше, чем V P (max) .

Затворный резистор (R G ) в схеме на рис. 10-54 предусмотрен исключительно для ограничения любого тока затвора в случае, если переходы затвор-исток становятся смещенными в прямом направлении. Схема могла бы удовлетворительно работать с R G , выбранным как 1 МОм, однако резисторы большого номинала могут снизить скорость переключения схемы, поэтому для R G часто используются довольно небольшие значения сопротивления.

Коммутационные схемы JFET с конденсаторной связью:

Две схемы переключения смещающих полевых транзисторов с конденсаторной связью показаны на рис.10-55. Полевой транзистор на Рис. 10-55 (a) обычно включен, потому что его V GS = 0, а устройство на Рис. 10-55 (b) обычно выключено с -V GS больше, чем напряжение отсечки. В обеих схемах полевой транзистор включается или выключается входным импульсом с конденсаторной связью. В процедуре проектирования этих схем используются уравнения, уже обсуждавшиеся для схем переключения на полевых транзисторах с прямой связью смещения.

MOSFET Переключение:

На рисунке 10-56 показаны две коммутационные схемы полевых МОП-транзисторов с конденсаторной связью.На рис. 10-56 (a) полевой транзистор смещен, потому что V GS = 0. Для включения устройства требуется положительный входной сигнал. Полевой транзистор на рис. 10-56 (b) смещен положительным V GS , обеспечиваемым R 1 и R 2 . В этом случае необходимо приложить отрицательное входное напряжение для выключения полевого транзистора. Уравнения 10-20 и 10-21 могут быть применены к этим схемам для расчета I D и V DS (вкл) . Чтобы включить устройство на желаемый уровень тока стока, можно использовать передаточные характеристики, если они доступны.

Микроконтроллер Drivign FET транзистор

Интерфейс микроконтроллера — Часть 9

Переключение транзисторов на полевых транзисторах

Голы

В предыдущих разделах было показано, как использовать биполярные транзисторы для переключения нагрузок с более высокими токами и / или напряжениями, чем может обрабатывать непосредственно выходной контакт микроконтроллера.В этом разделе показано, как использовать другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), который может иметь преимущества в некоторых схемах.

Основы полевого транзистора

Часть 7 описывает работу транзисторов с биполярным переходом (BJT). Эти транзисторы известны как устройства с регулируемым током. По сути, ток коллектора BJT — это ток базы, умноженный на коэффициент усиления транзистора. Полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением. Как и BJT, полевой транзистор имеет три контакта.Это затвор, сток и исток. На затвор подается управляющее напряжение.

Существует несколько типов полевых транзисторов. Сначала есть канал N и канал P. Затем есть варианты режима улучшения и режима истощения. Тогда есть и другие варианты. Наиболее распространенным типом полевых транзисторов в схемах переключения является MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Мы ограничим обсуждение N каналом, режимом расширения MOSFET. Это наиболее часто используемые полевые транзисторы в схемах на основе микроконтроллеров.Если не указано иное, всякий раз, когда используется термин FET, он будет относиться к N-канальному MOSFET в режиме расширения.

Лучше всего рассматривать полевой транзистор как переменный резистор, управляемый напряжением.Резистор находится между выводами истока и стока. Величина резистора будет зависеть от напряжения между затвором и истоком (Vgs). Если напряжение равно нулю вольт, сопротивление будет очень высоким (несколько миллионов Ом) и, по сути, это будет разрыв цепи. Если Vgs выше определенного уровня, сопротивление будет очень низким (несколько Ом или меньше). В технических данных это значение будет обозначаться как Rds (сопротивление сток-исток). Если Vgs, иногда называемое просто напряжением затвора, находится между этими пределами, сопротивление будет где-то между низким и высоким.Это относится к линейному диапазону. Обычно мы не хотим, чтобы полевой транзистор находился в линейном диапазоне в коммутационных приложениях.

Для выходного контакта микроконтроллера базовый контакт BJT выглядит как диод. Вывод должен пропускать ток через этот диод. Затвор, управляющий вывод полевого транзистора, выглядит как небольшой конденсатор между выводами затвора и истока. Единственный ток, который течет, — это величина, необходимая для заряда или разряда этой емкости. После того, как конденсатор заряжен, ток не будет течь, пока состояние выходного контакта микроконтроллера не изменится.

Пример: управление реле

В разделе 7 мы использовали пример биполярного транзистора для переключения реле. Мы еще вернемся к этой проблеме, но на этот раз воспользуемся полевым транзистором в качестве переключателя. На рисунке 9-1 показана схема. Проблема заключается в том, чтобы управлять напряжением 12 В с выходного контакта микроконтроллера. Сопротивление катушки реле 360 Ом. Наш микроконтроллер на 5 В не может напрямую переключать 12 В без риска повреждения. Закон Ома также говорит нам:

I = V / R = 12/360 = 0,033 A или 33 мА

Так как микроконтроллер имеет максимальные пределы стока и источника 25 мА, у нас также не хватает тока.Мы будем использовать полевой транзистор для тяжелой работы. Давайте попробуем 2N7000 для этого приложения. Беглый взгляд на спецификации показывает некоторые ключевые параметры.

2N7000

Vds 60 В макс.

Id 200 мА макс. (Непрерывно)

Pd 400 мВт

Rds (вкл.) 5.3 Ом (макс.)

Максимальное напряжение на устройстве Vds составляет 60 В, поэтому источник питания 12 В не будет проблемой.2 * R = 0,033 * 0,033 * 5,3 = 5,7 мВт

2N7000 подойдет в этом приложении. Обратите внимание на использование диода D1. Он используется для управления током, создаваемым коллапсирующим магнитным полем, возникающим при выключении полевого транзистора. Без диода напряжение на полевом транзисторе может быть достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение. Диоды необходимы всякий раз, когда используется индуктивная нагрузка.

Итак, зачем нам использовать полевой транзистор вместо BJT? Полевой транзистор 2N7000 стоит больше, чем, скажем, PN2222 BJT. В этом конкретном приложении, вероятно, нет большой причины использовать полевые транзисторы.Бывают ситуации, когда полевой транзистор имеет одно или несколько основных преимуществ.

Рассмотрим конструкцию портативного устройства с батарейным питанием. Срок службы батареи — это серьезная проблема в нашем приложении, поэтому мы хотим снизить потребление тока в каждой части цепи, которую мы можем. Теперь, вместо переключения энергоемкого реле, нам нужно включить компонент, которому требуется 9 В (от нашей батареи), но ток всего несколько мА.

В этой ситуации мы, вероятно, будем управлять базой биполярного транзистора с током мА или более.Этот ток будет дополнительным расходом заряда батареи. С полевым транзистором, если частота переключения низкая, ток на затворе полевого транзистора будет незначительным. Использование полевого транзистора в этой ситуации позволит сэкономить электроэнергию.

Коммутация высокой мощности

Основная ситуация, когда полевые транзисторы лучше, — это сильноточные цепи. Предположим, мы хотим переключить двигатель, электрический нагреватель или другую сильноточную нагрузку. Полевые транзисторы производятся с очень низким сопротивлением между стоком и истоком.Чем ниже Rds, тем эффективнее будет схема.

Допустим, мы делаем обогреватель для какого-то применения. Нагревательный элемент работает от 24 В и потребляет 8 ампер, когда он включен. Давайте сначала посмотрим на использование биполярного транзистора. 2N3055 — это обычный сильноточный транзистор.

2N3055

Vce 60 В (макс.)

Ic 15A (макс.)

Vce (насыщ.) 3 В (Ic = 10A, Ib = 3A)

Наши требования для Vce (24 В) и Ic (8 A) намного ниже пределов для 2N3055.Все идет нормально. Теперь посмотрим на Vce (сидел). Это 3В. Что происходит, когда мы пропускаем через это 8А?

Pd = Vce (насыщ.) * Ic = 3V * 8A = 24 Вт

Эти 24 Вт — большая потеря мощности. Не только это, но и эта энергия преобразуется в тепло. Нам понадобится большой радиатор, чтобы безопасно отводить это тепло. Также посмотрите на ток базы транзистора как на условия для Vce (sat). Это 3А! Наш бедный микроконтроллер может подавать только 25 мА. Нам понадобится схема для повышения 25 мА до 3 А. Это добавит стоимости и сложности конструкции.

Давайте посмотрим на использование полевого транзистора IRF530. Максимальное напряжение Vdss и максимальный ток Id вполне соответствуют условиям работы нашей схемы. Мы выбрали полевой транзистор типа логического уровня, чтобы мы могли напрямую управлять им с помощью нашего микропроцессора. Напряжение переключения составляет 2 В, что значительно ниже 5 В, которые подает линия микровывода. Мы будем довольно сильно использовать полевой транзистор, что хорошо, но все же ниже максимума 16 В. 2 * Rds = 8A * 8 A *.15 Ом = 9,6 Вт

Мощность, рассеиваемая на полевом транзисторе, все еще довольно высока, 9,6 Вт, но она значительно ниже предела устройства 79 Вт и намного меньше, чем 24 Вт для биполярного транзистора 2N3055. Полевой транзистор по-прежнему будет нуждаться в теплоотводе, но это будет не так сложно, как с 2N3055.

Приложив немного усилий, мы, вероятно, сможем найти полевой транзистор с более низким сопротивлением сопротивления, что еще больше снизит потери мощности на полевом транзисторе.

IRF530

Vdss 100 В

Id 17A

Pd 79W

Rds (на).15 Ом (Vgs = 4V, Id = 8A)

Vgs (th) 2V

ВГС 16 В макс.

ШИМ

Транзисторы

FET часто используются для управления двигателями постоянного тока.Что, если бы мы хотели контролировать скорость двигателя? Мы можем контролировать скорость двигателя постоянного тока, изменяя напряжение на нем. Один из способов сделать это с помощью микроконтроллера — использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Допустим, у нас есть мотор на 12 В. Если просто подать питающее напряжение на двигатель. Он видит 12 вольт и работает на полной скорости.

Теперь предположим, что мы очень быстро включили и выключили 12В. Время включения и выключения одинаковы. Он работает в 50% случаев и выключен в 50% случаев. Считается, что сигнал имеет рабочий цикл 50%.Среднее напряжение, которое будет видеть двигатель, составляет 50% от 12 В или 6 В. Мотор работает медленнее при 6В.

Допустим, мы изменили рабочий цикл на 75%. Напряжение сейчас включено 75% времени и выключено 25% времени. Двигатель теперь видит в среднем 75% от 12 В или 9 В. Он работает быстрее, чем при 6 В, но медленнее, чем при 12 В. Мы можем создать любое напряжение от 0 до 12 В, изменив рабочий цикл.

Многие микроконтроллеры имеют встроенные периферийные устройства с ШИМ. После того, как вы их настроите, они будут работать с заданной частотой и рабочим циклом без какого-либо дополнительного внимания.Если ваш микроконтроллер не имеет ШИМ, вы можете сделать то же самое с аппаратными или программными таймерами, контролирующими вывод.

Схемы

PWM обычно работают на нескольких десятках кГц. Это может вызвать ситуацию, которая, если ее не принять во внимание, может привести к разрушению полевого транзистора. Помните, ранее мы говорили, что затвор выглядит как конденсатор для выходной линии микроконтроллера. Этот конденсатор необходимо заряжать или разряжать каждый раз при переключении управляющего сигнала. Пока конденсатор заряжается или разряжается, полевой транзистор не будет ни включен, ни выключен.Он будет в своем линейном диапазоне, а Rds будет между Rds (вкл.) И Rds (выкл.). Ток, протекающий через полевой транзистор, вызовет рассеяние большой мощности.

В приведенных выше примерах мы не включали и выключали нагрузку очень быстро, поэтому у полевого транзистора есть время, чтобы рассеять дополнительное тепло между переходами, и его обычно можно игнорировать. Если полевой транзистор меняет состояния 20 000 раз в секунду (частота ШИМ 10 кГц), он будет проводить больший процент своего времени в этом линейном диапазоне. Возможно, что мощность, рассеиваемая полевым транзистором в этих условиях, превысит максимальные значения и разрушит полевой транзистор.

Величина емкости затвора на самом деле является зарядом затвора и будет показана в листе данных. Полевые транзисторы большей мощности имеют более крупные матрицы и, следовательно, будут иметь больший заряд затвора. В таких ситуациях необходимо управлять затвором с достаточным напряжением и током для зарядки (разрядки) затвора достаточно быстро, чтобы время, проведенное в линейной области полевого транзистора, было очень коротким. Это часто делается с помощью специальных схем или микросхем драйверов на полевых транзисторах. Расчеты и методы компоновки печатной платы для высокоскоростной ШИМ выходят за рамки этого руководства.У производителей полевых транзисторов есть указания по применению, в которых этот предмет рассматривается более подробно.

Резюме

Полевые транзисторы

являются альтернативой биполярным транзисторам для переключения нагрузок за пределами диапазона микроконтроллера для непосредственного управления.Полевые транзисторы обычно превосходят в приложениях, где требуются большие токи, и в некоторых ситуациях с низким энергопотреблением. Схемы на полевых транзисторах требуют особого внимания, особенно при более высоких скоростях переключения.

Gotcha List

1.Убедитесь, что полевой транзистор может выдерживать напряжение и ток, необходимые для нагрузки.

2. Рассмотрите возможность использования полевых транзисторов с переключением логического уровня для упрощения взаимодействия с микроконтроллерами.

3. Защитите транзистор демпфирующим диодом, если нагрузка представляет собой реле, соленоид, двигатель или иную индуктивную нагрузку.

4. В приложениях с ШИМ большой мощностью необходимо учитывать требования привода, чтобы избежать заряда затвора.

Структура и принцип работы полевых транзисторов

Полевой транзистор — это полупроводниковое устройство, которое использует эффект электрического поля входной цепи управления для управления током выходной цепи и названо в честь него.Поскольку проводимость электричества зависит только от основного носителя в полупроводнике, его также называют униполярным транзистором. FET на английском языке — полевой транзистор, сокращенно FET. Существует два основных типа: транзисторный полевой транзистор (JFET) и полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

Каталог

I Структура и принцип работы

Полевые транзисторы делятся на две категории: полевые транзисторы (JFET) и металлические оксидные полупроводниковые полевые транзисторы ( МОП-транзистор) .

В зависимости от типа материала канала и типа изолированного затвора существуют транзисторы с каналом N и P с каналом;

В зависимости от режима проводимости различают тип истощения и тип улучшения. Все полевые транзисторы JFET имеют истощенные типы, а полевые МОП-транзисторы имеют как типы истощения, так и типы расширения.

1. Соединительный полевой транзистор

(1) Структура

Структура N-канального полевого транзистора показана на следующем рисунке.Это структура, в которой PN-переход изготовлен на каждой стороне полупроводниковой кремниевой пластины N-типа, образуя структуру, в которой два PN-перехода образуют между собой канал N-типа. Две области P являются затворами, один конец кремния N-типа — сток, а другой конец — исток.

Рисунок 1. Структура переходного полевого транзистора

(2) Принцип работы

Рассмотрим N-канал в качестве примера, чтобы проиллюстрировать его принцип работы.

Когда VGS = 0, когда определенное напряжение приложено между стоком и истоком, основная несущая будет дрейфовать между стоком и истоком, создавая ток стока. Когда VGS <0, PN-переход смещен в обратном направлении, образуя обедненный слой. Канал между стоком и истоком сузится, а ID уменьшится. Если VGS продолжает уменьшаться, канал будет продолжать сужаться, и ID будет продолжать уменьшаться, пока не достигнет 0. Когда ID равен 0, соответствующий VGS называется напряжением отсечки VGS (выключено).

(3) Характеристическая кривая переходных полевых транзисторов

Имеются две характеристические кривые переходного полевого транзистора,

Одна из них — выходная характеристическая кривая (ID = f (VDS) | VGS = константа) , второй — кривая передаточной характеристики (ID = f (VGS) | VDS = constant).

Характеристическая кривая полевого транзистора с N-канальным переходом показана на рисунке ниже.

(A) Характеристическая кривая дренажного выхода (b) Кривая передаточной характеристики

Рисунок 2.Характеристическая кривая полевого транзистора с N-канальным переходом

2. Металлооксидно-полупроводниковый полевой транзистор

Металлооксидно-полупроводниковые полевые транзисторы подразделяются на:

Тип обеднения & rarr; Канал N, канал P

Тип расширения & rarr; N-канал, P-канал

(1) Структура N-канального FET типа истощения

Структура и символ N-канального режима истощения показаны на следующем рисунке (a).Изолирующий слой SiO2 под затвором легирован большим количеством положительных ионов металлов. Таким образом, когда VGS = 0, эти положительные ионы индуцировали инверсионный слой, образуя канал. Следовательно, пока есть напряжение сток-исток, существует ток стока.

Когда VGS> 0, ID будет увеличиваться. Когда VGS <0, ток стока постепенно уменьшается по мере уменьшения VGS до ID = 0. VGS, когда ID = 0, называется напряжением отсечки, иногда обозначается символом VGS (выкл.) Или VP.

Кривая передаточной характеристики N-канального обедненного режима показана на рисунке (b) ниже.

(a) Структурная диаграмма (b) Кривая передаточной характеристики

Рисунок 3. Структура и кривая передаточной характеристики в режиме обеднения N-канала

(2) Тип расширения N-канала Полевой транзистор FET

N-канальный полевой транзистор улучшенного типа имеет структуру, аналогичную структуре режима обеднения.Но когда VGS = 0 В, добавление напряжения между стоком и истоком не образует тока. При подаче напряжения на затвор, если VGS> VGS (th), образуется канал, соединяющий сток и исток. Если в это время приложено напряжение сток-исток, может быть сформирован идентификатор.

Когда VGS = 0V, ID = 0, и ток стока улучшенного типа появится только после VGS> VGS (th).

ВГС (th) — напряжение открытия или напряжение клапана;

Рисунок 4.N-канальный тип расширения FET

(3) P-канальный режим расширения и режим истощения MOSFET

Принцип работы P-канального MOSFET точно такой же, как у N-канального MOSFET, за исключением того, что токопроводящие носители и полярность питающего напряжения различны. Это похоже на типы биполярных транзисторов NPN и PNP.

3. Вольт-амперная характеристика полевого транзистора

Существует много типов характеристических кривых полевых транзисторов.Имеются четыре кривые передаточной характеристики и кривые выходной характеристики в соответствии с различными проводящими каналами и независимо от того, улучшены они или истощены, а их направления напряжения и тока также различаются. Если положительное направление задано равномерно, характеристические кривые будут построены в разных квадрантах. Чтобы упростить рисование, положительное направление транзистора с каналом P обратное. Соответствующие кривые показаны на рисунке ниже.

Рисунок 5.Кривая вольт-амперной характеристики полевых транзисторов

4. Сравнение различных характеристик полевых транзисторов

(a) Кривая передаточной характеристики (b) Кривая выходной характеристики

Рисунок 6. Сравнение различных характеристик полевых транзисторов

II Параметры полевого транзистора

Существует множество параметров полевых транзисторов, включая параметры постоянного тока, параметры переменного тока и предельные параметры, но в целом нам нужно обратить внимание только на следующие параметры.

(1) Напряжение отсечки (UP)

Это относится к напряжению UGS, приложенному к затвору, когда ток стока / D (т. Е. Ток канала) равен нулю или меньше небольшого значения тока (например, 1 мкА. 10 мкА) при указанном напряжении стока UDS. Это важный параметр полевых МОП-транзисторов переходного или обедненного типа.

(2) Напряжение включения (UT)

Это напряжение затвора UGS, когда токопроводящий канал (между стоком и истоком) только что включен, когда напряжение стока UDS имеет определенное значение .Это важный параметр усиленного полевого транзистора. Когда напряжение затвора UGS меньше абсолютного значения напряжения включения, полевой транзистор не может быть включен.

(3) Ток утечки насыщения (DSS)

Это относится к току утечки насыщения тока стока D, вызванному определенным напряжением стока UDS (больше, чем напряжение отсечки), когда затвор и исток закорочены (UGS = 0). Он отражает проводимость исходного канала при нулевом напряжении на затворе, что является важным параметром истощенных полевых транзисторов.

(4) Низкочастотная крутизна (gm)

Когда напряжение стока UDS находится на заданном значении, отношение изменения тока стока к изменению напряжения затвора △ UGS, которое вызывает это изменение, называется крутизной , то есть:

Общая единица измерения грамма — мСм (миллисименс). gm — это параметр, который измеряет силу напряжения затвора полевого транзистора при управлении током стока, а также эффект усиления.Он аналогичен коэффициенту усиления переменного тока транзистора β и связан с рабочей площадью транзистора. Чем больше ток стока / D, тем больше gm.

(5) Напряжение пробоя истока стока (BUDS)

Это относится к максимальному напряжению стока, которое может выдержать полевой транзистор при постоянном напряжении затвора UGS. Это эквивалентно напряжению пробоя коллектор-эмиттер V (BR) ceo (т.е. BUceo) обычного кристаллического транзистора.Это предельный параметр, и рабочее напряжение, подаваемое на полевой транзистор, должно быть меньше BUDS.

(6) Максимальный ток сток-исток (DSM)

Это относится к максимальному току, допустимому между стоком и истоком, когда полевой транзистор работает нормально. Это эквивалентно рабочему току обычного кристаллического транзистора. Этот предельный параметр не должен превышаться.

(7) Максимальная рассеиваемая мощность (PDSM)

Это относится к максимально допустимой рассеиваемой мощности стока, когда характеристики полевого транзистора не ухудшаются, что эквивалентно Pcm обычного транзистора.При использовании фактическая потребляемая мощность полевого транзистора (PD = UDS & times; / D) должна быть меньше этого предельного параметра и оставлять определенный запас.

III Полевой транзистор Метод тестирования

1. Идентификация контактов JFET

Затвор полевого транзистора эквивалентен базе транзистора, а исток и сток соответствуют эмиттер и коллектор транзистора соответственно.Установите мультиметр на «R × 1k» и используйте два измерительных провода для измерения прямого и обратного сопротивления между каждыми двумя контактами. Когда положительное и обратное сопротивление двух выводов составляют несколько тысяч Ом, тогда эти два вывода являются стоком и истоком (взаимозаменяемы), а оставшийся вывод — затвором. Для соединительных полевых транзисторов с 4 контактами другой полюс является полюсом экранирования (заземление при использовании).

2. Оценка затвора

Подключите черный измерительный провод мультиметра к одному электроду транзистора, а красный измерительный провод — к двум другим электродам соответственно.Если значения сопротивления, измеренные дважды, очень большие, это означает, что они являются обратными сопротивлениями. Итак, это N-канальный полевой транзистор, и черный провод подключен к затвору.

Рис. 7. Тестовый полевой транзистор с мультиметром

В процессе производства определяется, что исток и сток полевого транзистора симметричны и могут использоваться взаимозаменяемо , не влияя на нормальную работу цепи, поэтому нет необходимости их различать.Сопротивление между истоком и стоком составляет около нескольких тысяч Ом.

Обратите внимание, что этот метод не может использоваться для определения затвора полевого МОП-транзистора. Поскольку входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно велико, а межэлектродная емкость между затвором и истоком очень мала, до тех пор, пока во время измерения имеется небольшое количество зарядов, на межэлектродной емкости может формироваться высокое напряжение, что легко повредить транзистор.

3. Оценка усиления

Установите мультиметр в положение «R × 100» и подключите красный измерительный провод к источнику, а черный измерительный провод к стоку, что эквивалентно добавлению 1.Напряжение питания 5В на полевой транзистор. В это время стрелка указывает значение сопротивления между стоком и истоком.

Затем зажмите затвор пальцем, чтобы подать индуцированное напряжение человеческого тела в качестве входного сигнала на затвор. Из-за эффекта усиления транзистора изменятся как UDS, так и ID, что означает, что сопротивление между стоком и истоком также изменится, и измерительный провод сильно колеблется. Если качание небольшое, когда вы зажимаете затвор, это означает, что способность транзистора к увеличению мала; если вывод не двигается, это означает, что транзистор поврежден.

Поскольку напряжение переменного тока 50 Гц, индуцируемое человеческим телом, довольно велико, и разные полевые транзисторы могут иметь разные рабочие точки при измерении с помощью резистивного редуктора, руки могут качаться вправо или влево, когда затвор защемлен. рука. Когда RDS транзисторов уменьшается, измерительный провод поворачивается вправо, а при увеличении RDS — влево.

Независимо от направления движения стрелок, пока есть четкое движение, это означает, что транзистор может усиливать.

Этот метод также подходит для измерения МОП-транзисторов. Чтобы защитить полевой МОП-транзистор, необходимо удерживать изолирующую ручку и соединить затвор с помощью металлического стержня, чтобы предотвратить непосредственное добавление индуцированного телом человека заряда к затвору и повреждения транзистора.

После каждого измерения МОП-транзистора будет небольшое количество зарядов на конденсаторе перехода G-S, и будет установлено напряжение UGS. Затем, если вы продолжите тест, измерительный провод может не двигаться, и короткое замыкание цепи между полюсом G-S решит проблему.

IV Меры предосторожности

1. Для безопасного использования полевого транзистора в схемотехнике предельных параметров , таких как рассеиваемая мощность, максимальное напряжение сток-исток, максимальное сопротивление затвора и истока. напряжение, и максимальный ток не должен быть превышен.

2. При использовании различных типов полевых транзисторов их необходимо вставлять в схему в строгом соответствии с требуемым смещением и соблюдать полярность смещения полевого транзистора.Например, существует PN-переход между истоком и стоком затвора с полевым эффектом перехода, поэтому затвор N-канала не может быть смещен положительно, а затвор P-канала не может быть смещен отрицательно.

3. Из-за чрезвычайно высокого входного сопротивления полевого МОП-транзистора, выводные контакты должны быть закорочены во время транспортировки и хранения. Кроме того, следует использовать металлический экранирующий пакет, чтобы предотвратить повреждение затвора внешним наведенным потенциалом.

В частности, полевой МОП-транзистор лучше хранить в металлическом корпусе , а не в пластиковом. Также следует отметить влагостойкость транзистора.

4. Для предотвращения индукционного пробоя затвора полевого транзистора все испытательные приборы, рабочие столы, электрические утюги и сама цепь должны быть хорошо заземлены, что означает:

(1) При пайке булавки, сначала припаяйте электрод истока.

(2) Перед подключением к цепи все выводы транзистора должны быть закорочены друг с другом, а закорачивающий материал удаляется после сварки.

(3) Когда вы извлекаете транзистор из стойки для компонентов, человеческое тело должно быть заземлено соответственно, как при использовании заземляющего кольца.

(4) Если вы используете современный газонагревательный электрический паяльник, сваривать полевой транзистор удобнее, но вы должны обеспечить безопасность.

Рисунок 8. Газонагревательная пайка

(5) категорически запрещается вставлять или втягивать транзистор в схему без отключения питания.

5. При установке полевого транзистора положение установки должно находиться на расстоянии от , насколько это возможно, от нагревательного элемента . А чтобы не допустить вибрации транзистора, необходимо закрепить корпус транзистора. Кроме того, когда мы сгибаем штифт, он должен быть на 5 мм выше основания, чтобы не повредить штифт и не вызвать утечку воздуха.

6. При использовании транзистора VMOS необходимо добавить соответствующий радиатор. Взяв VNF306 в качестве примера, максимальная мощность может достигать 30 Вт только после того, как транзистор оснащен 140-кратным излучателем диаметром 140 мм.

7. После параллельного соединения нескольких транзисторов высокочастотные характеристики усилителя ухудшаются из-за увеличения межэлектродной емкости и распределенной емкости , и легко вызвать высокочастотные паразитные колебания. через обратную связь. По этой причине обычно используется не более четырех параллельных составных транзисторов, и сопротивление антипаразитных колебаний должно быть подключено последовательно к базе или затвору каждого транзистора.

8. Напряжение затвор-исток переходного полевого транзистора не может быть изменено на противоположное и может храниться в открытом состоянии. Когда полевой МОП-транзистор не используется из-за очень высокого входного сопротивления, каждый электрод должен быть закорочен, чтобы предотвратить повреждение транзистора внешним электрическим полем.

9. Во время сварки внешняя оболочка электрического паяльника должна быть оборудована внешним заземляющим проводом , чтобы предотвратить повреждение транзистора из-за заряженного электрического утюга.Для небольшого количества пайки вы также можете отключить паяльник после его нагрева или отключить питание и припаять его. Особенно при сварке полевых МОП-транзисторов, исток-сток-затвор следует сваривать по порядку, а цепь должна быть отключена.

10. При сварке электрическим паяльником мощностью 25 Вт работа должна быть быстрой. Если вы используете электрический паяльник мощностью от 45 до 75 Вт, воспользуйтесь пинцетом, чтобы зажать основание штифта, чтобы улучшить отвод тепла. Используйте мультиметр, чтобы проверить качество полевого транзистора перехода (например, сопротивление между прямым и обратным сопротивлением каждого PN перехода и сток-исток).Однако полевой МОП-транзистор нельзя проверить мультиметром, вместо этого необходимо использовать тестер. А линию короткого замыкания каждого электрода можно удалить только после подключения тестера. При снятии мы должны сначала устранить короткое замыкание, а затем удалить его, чтобы избежать плавающего затвора.

Рис. 9. Тестер полевого МОП-транзистора

При высоком входном импедансе необходимо принять меры по защите от влаги, чтобы предотвратить снижение входного сопротивления полевого транзистора из-за температуры.Если используется четырехпроводной полевой транзистор, провод подложки следует заземлить. Транзистор с керамическим корпусом стоит, поэтому его следует защищать от света.

Для силовых полевых транзисторов должны быть хорошие условия рассеивания тепла . Поскольку силовой полевой транзистор используется в условиях высокой нагрузки, необходимо разработать достаточно радиаторов, чтобы температура корпуса не превышала номинальное значение, чтобы устройство могло стабильно работать в течение длительного времени.

Короче говоря, для обеспечения безопасного использования полевого транзистора необходимо учитывать ряд факторов, а также различные меры безопасности. Огромное количество профессионального и технического персонала, особенно энтузиастов электроники, должны принять практические меры для безопасного и эффективного использования полевых транзисторов в соответствии с их реальной ситуацией.

V Полевой эффект Transisto r VS. Транзистор

1. Исток S, затвор G и сток D полевого транзистора соответствуют эмиттеру E, базе B и коллектору C транзистора соответственно, и их функции аналогичны.

2. Полевой транзистор — это устройство , управляемое напряжением, токовое устройство для управления идентификатором посредством VGS, и его коэффициент усиления gm, как правило, невелик, поэтому способность полевого транзистора к усилению невысока. Транзистор представляет собой устройство , управляемое током, для управления IC посредством iB (или iE).

3. Затвор полевого транзистора почти не поглощает ток, в то время как база транзистора поглощает определенный ток во время работы. Следовательно, входное сопротивление полевого транзистора выше, чем у транзистора.

4. Полевой транзистор является проводящим с несущими . Транзистор может проводить электричество как с большинством, так и с неосновными носителями. Поскольку на концентрацию неосновных носителей сильно влияют температура, излучение и другие факторы, полевой транзистор имеет лучшую температурную стабильность и радиационную стойкость, чем транзистор.

Рис. 10. Мажоритарный и второстепенный поток несущей PNP-транзистора

Полевой транзистор следует использовать в условиях окружающей среды (температура и т. Д.).) сильно различаются.

5. Когда металл истока соединен с подложкой, электрод истока и электрод стока могут использоваться взаимозаменяемо , и их характеристики не сильно меняются. Однако, если коллектор и эмиттер транзистора используются взаимозаменяемо, его характеристики будут сильно отличаться, и значение β сильно уменьшится.

6. Коэффициент шума полевого транзистора очень мал, поэтому полевой транзистор следует выбирать в схеме малошумящего усилителя, где входной каскад требует высокого отношения сигнал / шум (SNR).

7. Полевые транзисторы и транзисторы могут образовывать различные и переключающие схемы, но полевой транзистор более широко используется в крупномасштабных и сверхбольших интегральных схемах из-за его простого производственного процесса, низкого энергопотребления, хорошей термостойкости. , широкий диапазон рабочего напряжения питания и другие преимущества.

8. Сопротивление в открытом состоянии транзистора велико, а у полевого транзистора мало, всего несколько сотен миллиом. В современных электрических устройствах полевые транзисторы обычно используются в качестве переключателей из-за их высокого КПД.

Рекомендуется Артикул:

Введение в TFT-дисплеи

Обзор биполярных транзисторов

Каковы методы тестирования и типы транзисторов?

Специальный выпуск: транзистор с крутым переключаемым полевым эффектом

Редакторы специальных выпусков

Проф. Д-р Ильхван Чо
Электронная почта Веб-сайт
Гостевой редактор

Кафедра электронной техники, Университет Мёнджи, Йонъин 17046, Корея
Интересы: туннельных транзисторов; полупроводниковые запоминающие устройства; 3D транзисторы

Проф.Д-р Сангван Ким
Электронная почта Веб-сайт
Гостевой редактор

Кафедра электротехники и вычислительной техники, Университет Аджу, Сувон 16499, Корея
Интересы: проектирование, изготовление, измерение, определение характеристик и моделирование наноразмерных устройств, совместимых с CMOS / CMOS; нейроморфные устройства

Проф. Д-р Гарам Ким
Электронная почта Веб-сайт
Гостевой редактор

Департамент электронной инженерии, Университет Мёнджи, Йонъин 17046, Корея
Интересы: КМОП-совместимые устройства; безконденсаторные модули DRAM 1T; Светодиоды на основе GaN; Датчики изображения CMOS

Информация о специальном выпуске

Уважаемые коллеги,

Различные устройства с крутой коммутацией, включая туннельные полевые транзисторы (FET), полевые транзисторы с отрицательной емкостью, полевые транзисторы с обратной связью и нано-электромеханические полевые транзисторы, были исследованы в попытках снизить динамическую мощность и повысить скорость работы.Устройства могут преодолевать предел переключения полевого МОП-транзистора с различными рабочими механизмами и / или улучшенной связью затвор-канал. Несмотря на теоретические преимущества, в каждом полевом транзисторе с крутой коммутацией все еще существуют различные технические проблемы, и требуются инновационные решения. В этом специальном выпуске мы сосредоточимся на разработке устройств с крутой коммутацией для различных приложений, таких как компоненты логических схем или нейроморфных схем, устройства памяти и датчики. Приветствуются статьи, короткие сообщения и обзорные статьи, охватывающие широкий круг возможных тем, включая изготовление, моделирование, определение характеристик и симуляцию.Все заявки будут рассмотрены в соответствии с обычными процедурами Micromachines .

Проф. Д-р Ильхван Чо
Проф. Д-р Сангван Ким
Проф. Д-р Гарам Ким
Приглашенные редакторы

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть представлены онлайн по адресу www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до указанного срока.Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции).Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Micromachines — это международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, публикуемый MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 1800 швейцарских франков.Представленные документы должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время редактирования автора.

Ключевые слова

  • Транзистор полевой туннельный
  • Полевой транзистор обратной связи
  • Полевой транзистор отрицательной емкости
  • Наноэлектромеханический полевой транзистор

В данный момент нет принятых материалов по этому специальному выпуску.

MOSFET Коммутаторы

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Изучите работу переключателей Power MOSFET.
  • Признать важные характеристики силовых полевых МОП-транзисторов.
  • Выберите подходящие силовые полевые МОП-транзисторы для переключения постоянного тока.
  • Опишите типовые схемы драйверов для силовых полевых МОП-транзисторов при коммутации и управлении сильноточными нагрузками.
  • Ознакомьтесь с типичными мерами безопасности для предотвращения повреждений из-за перегрева, перенапряжения или перегрузки по току.

Строительство переключателей MOSFET.

Рис. 4.6.2 Переключатель MOSFET

Рис. 4.6.3 ШИМ + логика


Источник сигнала

Для проверки расчетов, выполненных в модуле 4.5, схема, показанная на рис. 4.6.2, была построена на стрип-плате (proto-board). Требуется всего несколько компонентов, и схема также включает в себя оптоизолятор для изоляции любой схемы логического входа от сильноточного высоковольтного выхода, которым может управлять переключатель.

Нагрузкой схемы переключателя полевого МОП-транзистора в данном случае является лампа автомобильной фары мощностью 12 В и 36 Вт, а входом в переключатель полевого МОП-транзистора будет сигнал логического уровня с широтно-импульсной модуляцией. Это может быть обеспечено любой логической схемой, совместимой с напряжением 5 В, производящей ШИМ-сигнал на частоте в диапазоне высоких звуковых частот. В начальных тестах переключатель нижнего уровня N-канального МОП-транзистора был подключен к схеме с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) + логика, основанной на модифицированной версии конструкции с одним таймером 555 (рис.4.4.8) в разделе Learnabout-Electronics Oscillators, где можно найти описание их работы. Для этих испытаний был добавлен инвертор Шмитта, чтобы гарантировать быстрое нарастание и спад выходного сигнала ШИМ. Вы можете скачать полную информацию о конструкции схемы ШИМ здесь.

A В качестве альтернативы переменный входной сигнал ШИМ может быть получен из любой схемы, имеющей логический выход 5 В, такой как Arduino, как показано на рис. 4.6.9, в этом случае выполняется простой эскиз ШИМ, который постоянно затемняет и увеличивает яркость лампы.

Принципиальная схема коммутатора показана на рис. 4.6.5, а схема начальных испытаний — на рис. 4.6.1.

Рис. 4.6.4 Переключатель нижнего уровня канала N

Источники широтно-импульсной модуляции

Два выхода доступны из схемы ШИМ, которые представляют собой фактический сигнал ШИМ и инвертированную версию. Любой из них может быть применен к входным клеммам схемы MOSFET. Для тестирования выход переключателя MOSFET был подключен к нагрузке 36 Вт (лампа автомобильной фары), подключенной между источником питания лампы 12 В и клеммой стока переключателя MOSFET, как показано на рис.4.6.5. Это представляет собой максимальную нагрузку 3А, на которую рассчитана схема, поскольку 3А также является общим максимальным током, доступным от стендовых источников питания.

Входной сигнал ШИМ также может быть получен из любой схемы, имеющей логический выход 5 В, такой как Arduino, как показано на рис. 4.6.8, в этом случае выполняется простой эскиз ШИМ, который постоянно затемняет и увеличивает яркость лампы.

Работа схемы широтно-импульсного модулятора основана на схеме 555, описанной в модуле генераторов 4.4. Для использования в качестве драйвера полевого МОП-транзистора схема была немного изменена, чтобы увеличить частоту ее работы, так как, когда она используется для управления нагрузками, такими как щеточные электродвигатели постоянного тока, частота работы должна быть достаточно высокой, чтобы не вызывать слышимого завывания. , поскольку индуктивный характер двигателя может заставить его работать как громкоговоритель на низких частотах. Действие оптоизолятора также описано в Модуле 5.2 «Полупроводники».

Схема переключателя полевого МОП-транзистора

Рис. 4.6.5 Переключатель MOSFET с изолированным входом

Оптоизолятор (IC1) и два его резистора R1 и R2 не являются абсолютно необходимыми для работы полевого МОП-транзистора, но очень желательны, потому что полная схема представляет собой очень полезный автономный переключатель, подходящий для взаимодействия со многими низковольтными и низковольтными Электроника к периферийным устройствам с более высоким напряжением / током.IC1 выполняет две функции; он изолирует любую внешнюю схему управления от полевого МОП-транзистора, а также увеличивает амплитуду логического сигнала 5 В в достаточной степени для управления стандартным (т.е. не версией с логическим входом) полевым МОП-транзистором без необходимости в дополнительном усилителе. Назначение R3 — предотвратить или ослабить любой звон, который может быть вызван комбинацией емкости затвора и индуктивности любой проводки, особенно в схемах возбуждения, работающих на высоких частотах, где это более важно при управлении более высокочастотными цепями, такими как импульсные источники питания.Типичное значение для R3 составляет 100 Ом или меньше, так как более высокие значения могут замедлить переключение.

При переключении полевых МОП-транзисторов важно, чтобы время переключения между выключенным и включенным состояниями было как можно короче. Когда полевой МОП-транзистор полностью включен (насыщен), напряжение сток-исток близко к нулю, поэтому, хотя может протекать большой ток, рассеиваемая мощность (I 2 R) очень мала. Когда полевой МОП-транзистор выключен, между стоком и истоком будет большое напряжение, но ток практически не протекает, поэтому мощность, рассеиваемая на полевом МОП-транзисторе, практически равна нулю.Однако во время переключения между включением и выключением и напряжение, и ток будут значительными, и поэтому большое количество энергии будет рассеиваться в течение очень короткого времени. Следовательно, чем быстрее можно будет включить или выключить полевой МОП-транзистор, тем меньше будет рассеиваться мощность. Общая мощность, рассеиваемая во время каждого рабочего цикла, будет приблизительно равна сумме рассеиваемой мощности в течение каждого из периодов включения и выключения.

R4 гарантирует, что при отключении полевого МОП-транзистора при удалении положительного сигнала возбуждения затвора емкость затвора немедленно разряжается до нуля вольт, а не остается близкой к уровню включения, что снижает вероятность случайного включения полевого МОП-транзистора.D1 подключается к клеммам нагрузки, чтобы предотвратить повреждение полевого МОП-транзистора из-за обратной ЭДС при использовании с индуктивными нагрузками.

Рис. 4.6.6 Формы сигналов оптоизолятора 4N25

Рис. 4.6.7a Форма кривой стока при минимальной мощности

Рис. 4.6.7b Форма кривой утечки при максимальной мощности

Если посмотреть на переключающее действие полевого МОП-транзистора, можно увидеть осциллограммы на рис. 4.6.6 и 4.6.7 а и б. Обратите внимание на рис. 4.6.6, что существует некоторая кривизна нарастающего напряжения в форме волны B (выход оптоизолятора), которая имеет тенденцию замедлять переключение.Это связано с относительно медленным временем включения (по сравнению с рабочей частотой) оптоизолятора. Однако, глядя на осциллограммы стока на рис. 4.6.7 a и b, это не повлияло отрицательно на время включения полевого МОП-транзистора, поскольку кривизна формы выходного сигнала оптоизолятора в основном находится на верхних уровнях сигнала затвора 10 В от пика до пика после того, как полевой МОП-транзистор уже включился. Обратите внимание, что оптоизолятор 4N25 не считается особенно быстродействующим; существует ряд более быстрых устройств, в которых в качестве выходного компонента используются опто-диоды вместо оптранзисторов, однако они, как правило, стоят дороже и с большей вероятностью будут использоваться в более высокочастотных системах.

Температурные испытания

При проверке превышения температуры для всей цепи, показанной на рис. 4.6.8 и 4.6.9 было обнаружено, что, хотя расчеты предполагали, что повышение температуры будет незначительно выше 25 ° C, замкнутый контур, показанный на рис. 4.6.9, фактически работал при максимальной температуре около 28 °. Выше, чем предполагают расчеты, но все же находится в безопасных пределах при использовании двигателя 3А в качестве нагрузки. Однако, когда цепь подключена к лампе мощностью 36 Вт, как показано на рис.4.6.8 рост температуры был значительно выше, примерно до 37 ° C, это, по-видимому, отчасти объяснялось тем, что лампа (очень горячая) находилась так близко к полевому МОП-транзистору и, следовательно, повышала температуру окружающей среды. Температура полевого МОП-транзистора упала почти до 29 °, когда между лампой и полевым МОП-транзистором был помещен небольшой губчатый экран.

Рис. 4.6.8 Arduino, управляющая лампой мощностью 36 Вт.

Рис. 4.6.9 Arduino и двигатель постоянного тока 3A.

Таким образом, переключатель хорошо работал как с резистивной (лампа 12 В), так и с индуктивной (щеточный двигатель постоянного тока) нагрузкой до 3 А при питании от источника питания 12 В с входом от источника логики 5 В.Входной сигнал подавался либо простой схемой широтно-импульсного модулятора, либо Arduino.

Схема также показала хорошие результаты, когда полевой МОП-транзистор был заменен на МОП-транзистор логического уровня 039N04L. В этом случае не было бы строгой необходимости использовать оптоизолятор 4N25 для повышения уровня логического входа до 10Vpp, необходимого для IRFZ44N, но тогда входная цепь будет подвержена любой неисправности в цепи MOSFET. Таким образом, дополнительные расходы на использование оптоизолятора по сравнению с сломанной Arduino оправданы.

Переключение верхней и нижней сторон

Полевой МОП-транзистор в приведенном выше примере размещается между нагрузкой и землей, поэтому этот метод работы называется переключением нижнего уровня и представляет собой простой и часто используемый метод использования переключателей на полевых МОП-транзисторах. Однако есть некоторые приложения, в которых это может быть неприемлемо, например, когда нагрузка требует заземления, как и других устройств нагрузки. Также, когда полевой МОП-транзистор выключен и ток через нагрузку прекращается, напряжение в точке X на рис.4.6.11a будет при напряжении питания. Хотя это может не быть проблемой при низких напряжениях, полевые МОП-транзисторы могут использоваться для переключения цепей высокого напряжения, где наличие высокого напряжения в явно неактивной цепи может быть проблемой безопасности, создавая опасность поражения электрическим током. Чтобы устранить любую из этих проблем, можно использовать переключение высокого уровня, как показано на рис. 4.6.11b. где, когда полевой МОП-транзистор отключается, напряжение на нагрузке (и в точке X) будет равно нулю (при условии, что полевой МОП-транзистор не разовьет короткое замыкание).

Рис. 4.6.11 Переключение на стороне низкого и высокого давления

Коммутацию на стороне низкого напряжения легко реализовать с помощью N-канальных полевых МОП-транзисторов, но переключение на стороне высокого напряжения вызывает некоторые трудности. Основная проблема, которую необходимо решить, заключается в том, что напряжение затвора (V GS ) на N-канальном MOSFET должно быть более положительным, чем напряжение источника, чтобы включить MOSFET. Пока полевой МОП-транзистор выключен в цепи высокого напряжения, напряжение источника будет практически равным нулю, поэтому затвор может включить полевой МОП-транзистор, но как только он включен, напряжение источника будет почти таким же, как напряжение стока из-за очень низкого сопротивление проводящего полевого МОП-транзистора.Поскольку напряжение питания (а теперь и напряжение источника), вероятно, будет самым высоким напряжением в цепи, напряжение затвора не может быть выше, чем напряжение источника, и управление будет потеряно.

Рис. 4.6.12 N&P Channel


Расширенные полевые МОП-транзисторы

Переключатель MOSFET со стороны верхнего плеча

Чтобы сделать переключение на высокой стороне возможным, можно использовать несколько методов. Самый простой из них — заменить N-канальный MOSFET на P-канальный. Условные обозначения схем для каждого из них показаны на рис.4.6.12. Единственная разница в этих символах — это направление стрелки, указывающей канал; в МОП-транзисторе P-канала стрелка теперь указывает в сторону от канала P-типа.

Однако соединение P-канала MOSFET по сравнению с N-каналом является обратным. Источник P-канала подключен к положительному источнику питания, и затвор теперь должен быть подключен к более низкому напряжению, чем источник, чтобы MOSFET мог включиться. Сток теперь подключен к более положительной стороне нагрузки, а отрицательная клемма нагрузки подключена к земле.

Рис. 4.6.13 Переключатель высокого давления канала P

Схема типичного переключателя верхнего плеча, использующего полевой МОП-транзистор с каналом P, показана на рис. 4.6.13. Обратите внимание на сходства и различия между рис. 4.6.13 и 4.6.5. Сначала на рис. 4.6.13 резистор R4, предназначенный для разряда любого оставшегося потенциала на затворе при выключении, теперь подключен к положительной шине питания, а не к земле. Это указывает на то, что потенциал затвора при включении будет более отрицательным, чем напряжение питания, обеспечивающее отрицательное значение V GS .

На рис. 4.6.13 также используется другой оптоизолятор, РС817 вместо 4N25 на рис. 4.6.5. Это несущественное различие, поскольку можно использовать ряд аналогичных изоляторов, просто необходимо иметь разумную форму выходного сигнала 12 В между пиками для переключения затвора MOSFET. В этом переключателе высокого уровня используется полевой МОП-транзистор с логическим уровнем 4P03L04 от Infineon, и, поскольку ему нужно только, чтобы его затвор был на 4,5 В ниже, чем напряжение питания 12 В, сигнал с напряжением 12 В, подаваемый на его затвор, легко включает или выключает МОП-транзистор.

Переключатель высокого уровня P-канала решает проблему использования полевого МОП-транзистора с N-каналом для переключения высокого уровня; однако это «лекарство» также может иметь некоторые побочные эффекты. MOSFET с каналом P обычно имеют более высокое значение R DS на по сравнению с MOSFET типа N с аналогичным размером внутреннего кристалла. Это означает, что в то время, когда МОП-транзистор включен, МОП-транзистор P-типа будет выделять больше тепла, чем аналогичное устройство N-типа. Это особенно актуально в сильноточных цепях. Однако, поскольку этот модуль ограничивается схемами с относительно низким энергопотреблением, разница в значениях R DS на не вызывает беспокойства.Например, канал P 4P03L04 имеет сопротивление R DS на , равное 4,4 мОм, тогда как канал N IRFZ44N имеет сопротивление R DS на , равное 17,5 ммОм. Несмотря на это, в разделе ниже описывается метод использования N-канального MOSFET в схеме переключателя высокого напряжения.

Переключатель высокого давления канала N

Основная проблема при использовании N-канального MOSFET в переключателе на стороне высокого напряжения заключается в том, что для включения MOSFET после его выключения напряжение на выводе затвора MOSFET должно быть выше, чем у источника. напряжение, которое, поскольку полевой МОП-транзистор выключен, будет соответствовать напряжению питания Vcc.Для этого напряжение на затворе должно быть каким-то образом «сдвинуто по уровню». Этот метод обычно называют «начальной загрузкой» (то есть мифической способностью поднять себя, просто потянув вверх ремни ботинка) — помимо невозможности этой задачи, начальная загрузка — не самое полезное название, так как существует несколько методы, используемые в других несвязанных схемах, которые используют то же имя, что обычно означает подъем некоторого значения до более высокого, чем нормальный уровень.

Рис.4.6.14 Переключатель верхнего уровня канала N

В этом случае напряжение «выключения» (самое низкое напряжение волновой формы) на затворе полевого МОП-транзистора необходимо поднять как минимум до уровня напряжения питания. Например, если используется полевой МОП-транзистор с логическим уровнем, минимальное напряжение затвора будет равно напряжению питания (5 В), а пиковое напряжение затвора должно быть на 5 В выше, чем напряжение питания Vcc.

Для полевых МОП-транзисторов с нелогическим уровнем минимальное напряжение затвора должно быть примерно равным напряжению питания (например,g.12V), а пиковое напряжение примерно вдвое превышает напряжение Vcc. Целью начальной загрузки является достижение этого увеличения без внешнего источника питания.

Для этого требуется всего несколько дополнительных компонентов, но система работает только для схем MOSFET, которые постоянно включаются и выключаются (например, схемы PWM). Цепи, которые включаются на длительное время, требуют различных методов.

Как работает схема начальной загрузки

Когда выходной транзистор оптопары включен, его вывод коллектора и напряжение затвора полевого МОП-транзистора снижаются до 0 В; МОП-транзистор выключен, и при напряжении стока на уровне Vcc (12 В) конденсатор C1 заряжается через диод D1 почти до Vcc (12 В).Когда выходной транзистор оптоизолятора снова выключается, его напряжение коллектора и затвор полевого МОП-транзистора повышаются до Vcc (12 В), и полевой МОП-транзистор включается. Это, однако, также увеличивает напряжение источника до 12 В (что без начальной загрузки мгновенно отключит MOSFET, поскольку напряжение источника и затвора будет одинаковым). Однако, поскольку C1 теперь заряжен до 12 В, его отрицательный вывод будет на 12 В, а его положительный вывод теперь будет на 12 В + 12 В = 24 В (подтягивая напряжение затвора с помощью бутстрепов!), А также обратное смещение диода D1.Таким образом, с выводом затвора полевого МОП-транзистора теперь на 24 В, полевой МОП-транзистор остается включенным. В конце концов, конечно, конденсатор разрядится, и напряжение затвора упадет до уровня, который заставит полевой МОП-транзистор снова выключиться, за исключением того факта, что входной сигнал постоянно включается и выключается. При условии, что время выключения достаточно велико для перезарядки конденсатора во время каждого цикла, а время включения недостаточно велико для разряда C1 (что было бы сравнительно очень долгим временем из-за очень высокого затвора полевого МОП-транзистора. сопротивление) МОП-транзистор продолжает работать.

Полевые транзисторы

— обзор

8.17.3.3.1 Полевые транзисторы

На сегодняшний день полевые транзисторы являются наиболее распространенными электронными устройствами. В настоящее время производится около 10 19 полевых транзисторов в год, большинство из них (∼99%) на монокристаллических кремниевых пластинах в качестве строительных блоков интегральных схем для микропроцессоров, твердотельных запоминающих устройств или мобильных телефонов. 248 В результате непрерывного горизонтального и вертикального масштабирования современные кремниевые полевые транзисторы представляют собой наноэлектронные устройства; однако миниатюризация обходится дорого.Поэтому альтернативные полупроводники, совместимые с платформами кремниевых технологий, но обеспечивающие более высокую подвижность носителей по сравнению с кремнием, представляют большой интерес, особенно когда они естественным образом вписываются в архитектуру полевых транзисторов нанометрового масштаба. Важной вехой в этом направлении стало изготовление первого полевого транзистора на основе УНТ в 1998 году Че и его сотрудниками. 13 Поскольку УНТ характеризуются очень большой подвижностью и почти баллистическим переносом, они открывают большие перспективы для следующего поколения наноэлектроники.

УНТ – полевых транзисторов. 248,249 Подход к разделению в основном основан на нековалентной химической функционализации с помощью различных видов полимеров, способных селективно оборачивать полупроводниковые ОСНТ, в первую очередь ДНК и полифлуорены. 250,251 Кроме того, самосортирующиеся полупроводниковые сети ОСНТ были успешно получены путем центрифугирования УНТ из раствора на должным образом функционализированных подложках Si / SiO 2 . 252 Принцип этого метода основан на селективном связывании полупроводниковых УНТ концевыми аминогруппами силанового слоя на кремнеземе. 253 Эффективные химические методы удаления металлических УНТ в ансамблях УНТ включают сочетание бензолдиазониевых солей ( Рисунок 27 ) 254 и травление метановой плазмой. 255 В последнем процессе металлические УНТ в пленке преимущественно функционализируются, в то время как полупроводниковые УНТ с диаметром больше 1,4 нм остаются в основном неизменными. Соответственно, функционализированные металлические УНТ могут быть окончательно удалены посредством термического отжига. 248

Рис. 27. Схема изготовления полевого транзистора на основе образца, содержащего как металлические, так и полупроводниковые УНТ.

Адаптировано с разрешения Balasubramanian, K.; Burghard, M. Small 2005 , 1 , 180. 25

Предпочтительное разрушение металлических УНТ также осуществлялось путем селективного фотоокисления с использованием лазерного излучения подходящей длины волны. 256 Совсем недавно Чжан с соавторами 257 продемонстрировали, что облучение длинной дугой Xe-лампой в условиях окружающей среды также может способствовать более быстрому разрушению металлических поверх полупроводниковых УНТ. Замещающий легирование УНТ — еще один многообещающий подход.В качестве первого шага в этом направлении недавно группа Сюй 258 из Стэнфордского университета сообщила о синтезе ОСНТ, содопированных бором и азотом. В соответствии с теорией, предсказывая ширину запрещенной зоны порядка 0,5 эВ для 10% содержания каждого бора и азота, было обнаружено, что совместно легированные B / N ОСНТ (BCN-ОСНТ) полностью полупроводниковые и очень подходят в качестве полевых транзисторов. каналы. Полевые транзисторы, изготовленные из обогащенных полупроводниковых ансамблей ОСНТ, могут легко достигать больших отношений включения / выключения, превышающих 10 5 , что достаточно для множества практических приложений. 248 250 252

Значительное улучшение было также достигнуто в разработке полевых транзисторов, включающих высокоупорядоченные массивы SWNT, произведенные с помощью ориентированного CVD-выращивания на кварцевых подложках. 248 После переноса массивов на полимерную подложку и избирательного электрического пробоя металлических УНТ устройства демонстрируют очень хорошие характеристики, включая подвижность носителей 1000 см. 2 В −1 с −1 , в масштабе крутизна до 3000 См · м −1 , токовые выходы до 1 А. 259 Совсем недавно Форзани и его сотрудники 260 сообщили о методе функционализации ОСНТ в устройстве на полевых транзисторах для селективного обнаружения ионов тяжелых металлов в 2006 году. В их методе полимеры, функционализированные пептидами, были электрохимически осаждены на ОСНТ и селективное обнаружение ионов металлов проводили с использованием соответствующих пептидных последовательностей. Механизм передачи сигнала функционализированными пептидами SWNT FET также был изучен. Было замечено, что при воздействии ионов Ni 2+ наблюдался очевидный сдвиг в сторону отрицательного направления потенциала затвора, что, вероятно, связано с ослаблением взаимодействий между олигопептидами и ОСНТ. 2

Учебник по электронике — разделы 21-25

21. Какой показатель?

22. Переключатели

Есть много типов переключателей. Обратите внимание, что эти изображения не являются схемой. диаграммы. Невозможно указать, какой переключатель использовать для схемы. Все сводится к здравому смыслу.

Тумблер

Они либо включены / выключены, либо смещены, поэтому они возвращаются на место после освобождения.

Ползунковый переключатель

Поворотный переключатель

Нажимной переключатель

Они либо нормально включены (выключение нажатием), либо нормально выключены. (нажми и сделай). Их можно защелкнуть, чтобы они оставались нажатыми после вас уберите палец, как выключатели на фонарике.

Микровыключатель

Геркон

Они активируются магнитом.

Меркурий наклонный переключатель

Ртуть течет внутрь, и когда переключатель наклонен определенным образом, он соединит 2 контакта. На приведенной выше иллюстрации это показано в закрытое положение.

Дороги и столбы

В электронике путь — это количество положений переключателя. Полюс — это количество переключателей, перемещенных вместе.

Иногда это пишут как стенографию.Вот пример четыре типа, с которыми вы, скорее всего, встретитесь.

SPST , однополюсный, односторонний
SPDT , однополюсный, односторонний
DPST Двухполюсный, одинарный
DPDT Double Pole, Double Throw

Это единственные широко используемые сокращения, так как они наиболее широко используемые переключатели.

23. Транзисторы

Транзистор — это, по сути, прославленный переключатель. Это тоже водитель, позволяя вам питать компоненты, которые обычно требуют гораздо более высокого Текущий.

Очень легко заставить этих маленьких чуваков взорваться. Если вы занимаетесь электроникой в школе вам скажут: «Эти штуки легко взрываются». Это не так весело, как это звучит. Они просто выпускают небольшой клуб дыма.Они не вообще опасно. Они не могли ничего повредить. Они могут немного нарисовать кровь, но твои конечности в безопасности. Но не пропускайте через них слишком много тока, или они взорвутся.

Транзисторы — один из самых сложных предметов в электронике, поэтому не волнуйтесь, если вам нужно перечитать кое-что из этого.

NPN Транзистор

Транзистор NPN содержит 2 диода.Они подключены как итак:

По этой причине транзистор имеет напряжение включения 0,7 В.

Эксперимент включить лампу на ощупь

Обычно нет тока коллектора (Ic), но если мы предоставим базу с очень маленьким базовым током (Ib), что мы можем сделать, коснувшись терминалы, разрешается течь гораздо большему Ic.

Текущее усиление называется hFE.Обычно FE записывается на нижний индекс. Он рассчитывается как Ic / Ib. Большинство транзисторов имеют hFE около 250 — 400.

Еще один термин, связанный с транзисторами, — это ток насыщения. Когда транзистор насыщен, ток коллектора достиг максимума, & больше не контролируется базовым током (т. е. не имеет значения, как большой ток закачиваешь, даст тот же Ic). Ток насыщения = Vcc / R.Например:

hFE = Ic / Ib, поэтому Ic = Ib * hFE

= 0,05 * 400 = 20 мА

Но Ic (насыщение) = 6/2 = 3 мА. Транзистор насыщен.

Эксперимент для определения токовой характеристики транзистора и его hFE.

Ic (мА)

фунтов (мкА)

1 2.5
2 4,8
3 7,1
4 9,4
5 13,7
6 14,1
7 16,8
8 19.6
9 22,8

Транзисторная нагрузка драйвер

Вин (В) Ic (мА)
0,5 0
1,0 38.5
1,5 71,3
2,0 77,6
2,5 81,1
3,0 83,6
3,5 85,8
4,0 87,7
4.5 89,4
5,0 90,8
5,5 92,1
5,95 93,0
0,75 10,8
0,25 0
1,25 61,1
0.55 0,01

Обратите внимание, что приведенные выше результаты не в порядке. В частности, есть пара дополнительных результатов в конце.

Транзистор может использоваться как буфер или как цифровой переключатель (<0,7 В, переключатель выключен,> 0,7, переключатель включен). Транзистор часто становится насыщенный.

Когда Vin равно 0 В, транзистор выключен, поэтому лампа не горит.Для всех значений при Vin <0,7 В транзистор выключен, потому что ток базы будет 0 мА. (за счет диода).

Если Vin больше 0,7 В, течет базовый ток и транзистор начинает приходить. В случае предыдущего эксперимента он был полностью включен. примерно от 1,5В (т.е. транзистор был насыщен).

Нагрузкой (RL) может быть лампа, зуммер, двигатель, соленоид и т. Д. И т. Д.

Rin ограничивает ток, протекающий в базу.Он должен быть на уровне возможно, пока еще происходит насыщение транзистора.

Поле Эффектный транзистор (FET)

Полевой транзистор немного другой, по форме не требует тока затвора, только напряжение затвора. Кроме того, напряжение включения ниже нуля, что затрудняет подключение, но иногда может быть полезно.

Напряжение (затвор) Ig Идентификатор
-11.7 0 0
-10 0 0
-9 0 0
-8 0 0
-7 0 0
-6 0 0
-5 0 0
-4 0 0
-3 0 0
-2 0 0.8
-1 0 3,16
0 0 6,4
1 0 8,95
2 0 9,65
3 0 10,1
4 0 10.42
5 0 10,67
6 0 11,85
7 0 11,01
8 0 11,12
9 0 11,23
10 0 11.31
11 0 11,38
11,7 0 11,42

Жилье сравнение

полевой транзистор NPN биполярный
С управлением напряжением с управлением по току
Отрицательное напряжение отключения Выключается <0.7В
Входной ток Ig равен 0 Более высокий входной ток (Ib)

MOSFET-транзистор

MOSFET — это металлооксидно-кремниевый полевой транзистор. Который значит для вас так же много, как и для меня. Это в основном описание этого конструкции, & — это очень банальная мелочь. Вам не нужно знать что это означает. Обычно он используется как водитель, следующий за воротами. схема.

Жилье сравнение

МОП-транзистор НПН
Может включать большие токи нагрузки. Дешевле.
Требуется меньший входной ток. Имеет определенное напряжение включения.

Транзисторы в качестве затворов

А Б К
0 В 0 В 9.98 В
0 В 10 В 0,5 В
10 В 0 В 0,5 В
10 В 10 В 0,5 В

Это вентиль ИЛИ-НЕ, поскольку он дает логическую 1, когда A и B равны 0, и логический 0 когда A или B равны 1.

Когда A низкий, Ib также низкий. Напряжения на 1К не будет. транзистор, поэтому все напряжение должно идти на Q.

24. Интегрированный Цепи

25. Реле

Реле представляет собой переключатель с электрическим управлением. Он представлен с помощью следующий символ:

А устроен следующим образом:

Небольшое напряжение, приложенное к входным клеммам (например, 12 В), приложенное к входные клеммы активируют электромагнит и замыкают контакты.Эти контакты могут затем включать большее количество тока и напряжения. безопасно.

Может использоваться для включения транзисторов или микросхем на более высоком уровне. компоненты напряжения или тока. Например, автоматический светильник для крыльца:

Лампа на крыльце включается автоматически в темноте.

Диод с обратным смещением всегда должен быть на месте, так как защищает транзистор от коротких коротких импульсов высокого напряжения, когда он выключается.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *