Режимы работы и схемы включения полевых транзисторов

10.4. Типовые схемы включения полевых транзисторов и их параметры

Как и биполярные транзисторы, полевые транзисторы используются в трех основных схемах включения (рис. 10.14): с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Входное сопротивление полевого транзистора очень велико и составляет сотни МОм. Поэтому входное сопротивление каскада с ОИ будет определяться сопротивлением резистора в цепи затвора. Сопротивлениевключается для обеспечения гальванической связи затвора с общей заземленной шиной. Сопротивлениевыбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, как можно меньше шунтировать большое входное сопротивление транзистора, а с другой – не создавать заметного падения напряжения от протекания черезтока утечки обратносмещенного управляющегоpn-перехода. Обычно выбирают. Большое входное сопротивление является достоинством каскада с ОИ на полевом транзисторе при использовании его в качестве входных каскадов усилителей напряжения, так как позволяет наиболее полно обеспечить условие значительного превосходства входного сопротивления над сопротивлениемисточника входного сигнала.

Резистор в цепи стока служит для ограничения тока стокаи обеспечения работы транзистора в рабочей области его статических характеристик. Из четырехполюсной модели полевого транзистора следует, что ток стока зависит от напряжений на электродах и внутренних параметров транзистора:. Поскольку, то после подстановок и преобразований получаем:

. (10.3)

Коэффициент усиления каскада с ОИ по напряжению равен по определению отношению напряжений или. Подставляя в это отношение выражение (10.3) и преобразуя, получим:

. (10.4)

Знак минус в правой части выражения (10.4) показывает, что выходное напряжение каскада с ОИ находится в противофазе с входным напряжением. Поскольку на пологом участке выходной статической характеристики ток стока практически не изменяется, то. В связи с этим выражение (10.4) можно упростить

. (10.5)

Наличие емкостей иобуславливает существование частотной зависимости коэффициента усиления по напряжению:

или в операторной форме

,

где определяется в соответствии с выражением (10.5),, а. Если, то верхняя рабочая частотаопределяется только:. Не учитываяи подставляя приведенные ранее зависимости, получим.

Выходное сопротивление каскада с ОИ находится в соответствии с выражением:

. (10.6)

Таким образом выходное сопротивление каскада определяется сопротивлением резистора в стоковой цепи полевого транзистора и составляет обычно единицы кОм при использовании транзистора с управляющимpn-переходом и МДП-транзистора с индуцированным каналом и десятки кОм для МДП-транзистора со встроенным каналом.

Коэффициент усиления по токукаскада с ОИ может быть выражен через коэффициент усиления по напряжениюи входное и выходное сопротивления каскада:. Подставляя в эту формулу приведенные ранее зависимости, получим выражение для коэффициента усиления по току:

. (10.7)

Наконец, поскольку коэффициент усиления по мощности равен, то

. (10.8)

Таким образом, каскад с ОИ обеспечивает значительное входное сопротивление ; меньшее, чем, выходное сопротивление; достаточно большое усиление по току, напряжениюи мощности.

Входное сопротивление каскада с ОС равно . Поскольку входное сопротивление полевого транзистораочень велико и составляет сотни Мом, то

. (10.9)

Выходное сопротивление каскада с ОС равно . Поскольку выходное сопротивление полевого транзистораравно минимальному сопротивлению канала, которое достигается при, т.е. при максимальной крутизне характеристики передачи, то. Отсюда следует, что

. (10.10)

Коэффициент усиления по напряжению определяется в соответствии с выражением

. (10.11)

При коэффициент усиления по напряжению. Это означает, что входное и выходное напряжения совпадают по фазе и приблизительно одинаковы по величине, откуда и происходит название каскада – истоковый повторитель.

Коэффициент усиления по токукаскада с ОС, следовательно, и коэффициент усиления по мощности.

Входная емкость каскада с ОС , что существенно (враз) меньше входной емкости каскада с ОИ. В связи с этимвраз и, что говорит о более широком частотном диапазоне каскада с ОС, чем каскада с ОИ.

Таким образом, каскад с ОС обеспечивает значительное входное сопротивление ; небольшое выходное сопротивление; повторение на выходе входного напряжения по величине и фазе и более широкий частотный диапазон, чем каскад с ОИ.

Каскад с ОС в основном используется как согласующий каскад (согласование сопротивлений без изменения амплитуды сигнала) в усилительных схемах, например, для согласования выхода источника входного сигнала с входом усилителя.

Каскад с ОЗ имеет входное сопротивление . Посколькудля схем с ОИ и ОС, то, что ограничивает применение каскада с ОЗ.

Так как входной ток практически равен выходному, то . Коэффициент усиления по напряжению, коэффициент усиления по мощности тоже, но.

Выходное сопротивление каскада с ОЗ .

Заканчивая рассмотрение полевых транзисторов, следует отметить, что в каждом из двух (с управляющим pn-переходом и МДП) типов помимо рассмотренных используются и другие разновидности полевых транзисторов:

— с управляющим pn-переходом и с вертикальным каналом;

— с управляющим pn-переходом и барьером Шоттки;

— с управляющим pn-переходом на арсениде галлия;

— МДП с коротким каналом на высокоомной подложке;

— МДП, изготовленные по методу двойной диффузии;

— МДП с вертикальным каналом;

— МДП на арсениде галлия.

Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере

Полевые транзисторы служат опорой современной микроэлектроники. Без них не было бы ни СБИС, ни ПЛИС, ни MK. Все современные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки построены на полевых транзисторах, и достойной альтернативы им пока не видно.

На выходах портов MK находятся каскады с полевыми транзисторами. Казалось бы, что подключить к ним ещё одного полевого «тёзку» — проще простого. Однако новичок-радиолюбитель впадает в шоковое состояние, узнав, что существуют десятки разновидностей полевых транзисторов с разной структурой проводимости, разной топологией изоляции затвора, разной технологией легирования канала, разными фирменными названиями и брэндами, а также разными условными графическими изображениями на электрических схемах.

К счастью, в цифровой, импульсной и преобразовательной технике, как правило, используются полевые МДП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие n- или  -проводимость канала. Это достаточно узкий класс электронных приборов, хорошо исследованный и легко поддающийся изучению.

Для прямого сопряжения с MK подойдут те полевые транзисторы, которые имеют низкое напряжение отсечки «затвор — исток» (параметр Gate Theshold Voltage в пределах 0.5…2.5 В). Технологические достижения последнего десятилетия сделали такие транзисторы малогабаритными и дешёвыми. Мощные полевые транзисторы обычно подключаются к MK через буферные каскады.

Если сравнивать полевые и биполярные транзисторы, то выводы «база — коллектор — эмиттер» (Base — Collector — Emitter) в первом приближении эквивалентны выводам «затвор — сток — исток» (Gate — Drain — Source). Соответственно, схемы ключевых каскадов у них будут очень похожими. Из отличий — полевые транзисторы управляются напряжением, а не током. Они имеют высокое входное и низкое выходное сопротивление, что улучшает экономичность. С другой стороны, большая ёмкость перехода «затвор — исток» 100…3000 пФ снижает быстродействие, а значительный технологический разброс параметров заставляет проектировать схемы с перестраховкой и с запасом «на всякий пожарный случай».

На Рис. 2.69, а…ж и Рис. 2.70, a…r приведены схемы ключевых каскадов соответственно с одним и двумя полевыми транзисторами. На Рис. 2.71, a…r представлены варианты совместного включения полевых и биполярных транзисторов.

Таблица 2.11. Параметры полевых транзисторов

В Табл. 2.11 приведены типовые параметры полевых транзисторов разной мощности. Транзисторы с я-каналом аналогичны транзисторам структуры п—р—п, а транзисторы с  -каналом — транзисторам структуры р—п—р. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (начало):

а) классический инвертирующий ключ на л-канальном транзисторе VT1. Главным параметром при выборе транзистора является напряжение отсечки затвора, которое при рабочем токе нагрузки R_H не должно превышать напряжение питания MK. Резистор R3 (R1) сопротивлением 51…510 кОм ставят, чтобы транзистор VT1 был закрыт в следующих случаях: при рестарте MK, при срабатывании супервизора просадок питания, при пропадании напряжения +5 В, при переводе линии MK в Z-состояние. Резистор R3 ускоряет разряд ёмкости затвора. Резистор R2 защищает линию MK от наводок большой амплитуды через цепь затвора со стороны стока при коммутации мощных нагрузок. Он обязателен при высоких напряжениях в нагрузке и большом уровне помех. Резисторы R1, R3 допускается не ставить, если нагрузка не критична к случайным включениям. По большому счёту затвор полевого транзистора VT1 в данной схеме может «висеть в воздухе», поскольку его защищают от статического электричества внутренние диоды MK;

б) диоды VD1, VD2 ставят для защиты полевого транзистора VT1 от выбросов напряжения в индуктивной нагрузке и для снижения помех в цепи питания. Современные полевые транзисторы серии MOSFET имеют встроенные мощные диоды, аналогичные VD2. Резисторы R1, R2 можно не ставить при низких напряжениях и резистивной нагрузке;

в) гальванически изолированое включение/выключение транзистора VT1. На выходе MK генерируется ВЧ-сигнал, который выпрямляется и фильтруется элементами VD1…VD4, C3, R2. Стабилитрон VD5 защищает затвор транзистора VT1. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита N30, обмотка I содержит 15, а обмотка II — 30 витков провода ПЭВ-0.2;

г) ключ на полевом  -канальном транзисторе VT1 эквивалентен ключу на биполярном транзисторе р—п—р. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзистор VT1 закрыт, а при переводе в режим входа с Z-состоянием транзистор открывается из-за наличия резистора R1\ О

О Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (окончание):

д) предохранитель FU1 срабатывает при аварийном токе в нагрузке R_H;

е) часть схемы электронного дверного звонка. Защита транзистора VT1 производится варторами RU1, RU2n конденсатором C1. Индикатор прихода гостей — светодиод HL1\

ж) диод VD1 защищает линию МК  от высокого напряжения при пробое транзистора VT1 и от наведенных помех при наличие мощной индуктивной нагрузки R_H.

а) последовательное включение n- и  -канальных транзисторов VT1, VT2 для коммутации «высоковольтной» нагрузки R_H. Диод VD1 ускоряет разряд ёмкости затвора транзистора VT1\

б) параллельное включение двух полевых транзисторов для увеличения тока нагрузки;

в) DA1 — это специализированный драйвер (фирма International Rectifier), обслуживающий мощные полевые транзисторы VT1, VT2 (ток до 1.5 А). Диод VD1 повышает надёжность; О

О Рис. 2.70. Схемы подключения двух полевых транзисторов к MK (окончание):

г)         преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное напряжение 220 В (DC/AC). Двухтактный каскад на транзисторах K77, VT2 управляется буферной логической микросхемой DD1. Сигналы с выходов МК  должны быть противофазными, но с небольшой «бестоковой» паузой, равной 10% от длительности периода (для устранения сквозныхтоков и повышения КПД). Конденсатор С/ компенсирует реактивность обмотки трансформатора T1 и приближает форму выходного сигнала 50 Гц к синусоиде.

Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(начало):

а) буферный биполярный транзистор VT1 управляет мощным полевым транзистором VT2. Подбором резистора R4 можно уменьшить выбросы напряжения на стоке транзистора VT2, возникающие в момент переключения сигнала;

б) биполярный ключ на транзисторе VT1 (возможная замена KT503) ускоряет разряд ёмкости затвора мощного полевого транзистора VT2. Конденсатор C1 увеличивает крутизну фронта сигнала, поступающего с выхода MK. Резистор R1 обеспечивает открытое состояние транзистора VT1 и закрытое состояние транзистора VT2 при рестарте MK; О

О Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(окончание):

в) резисторы R1, R2 одновременно не дают «висеть в воздухе» базе транзистора VT1 и затвору транзистора VT2npu рестарте MK;

г) маломощный биполярный транзистор VT1, как правило, дешевле полевого аналога, а полевой транзистор VT2 обеспечивает более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем биполярный аналог.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Управление мощной нагрузкой · Вадим Великодный

На практике часто возникает необходимость управлять при помощи цифровой схемы (например, микроконтроллера) каким-то мощным электрическим прибором. Это может быть мощный светодиод, потребляющий большой ток, или прибор, питающийся от электрической сети. Рассмотрим типовые решения этой задачи.

Будем считать, что нам нужно только включать или выключать нагрузку с низкой частотой. Части схем, решающие эту задачу, называют ключами. ШИМ-регуляторы, диммеры и прочее рассматривать не будем (почти).

Условно можно выделить 3 группы методов:

1. Управление нагрузкой постоянного тока.
   • Транзисторный ключ на биполярном транзисторе.
   • Транзисторный ключ на МОП-транзисторе (MOSFET).
   • Транзисторный ключ на IGBT.
2. Управление нагрузкой переменного тока.
   • Тиристорный ключ.
   • Симисторный ключ.
3. Универсальный метод.

Выбор способа управления зависит как от типа нагрузки, так и от вида применяемой цифровой логики. Если схема построена на ТТЛ-микросхемах, то следует помнить, что они управляются током, в отличие от КМОП, где управление осуществляется напряжением. Иногда это важно.

Простейший ключ

Простейший ключ на биполярном транзисторе проводимости n-p-n выглядит следующим образом.

Вход слева подключается к цифровой схеме. Если у нас цифровая схема построена на основе КМОП-логики с двухтактным («push-pull») выходом, то логическая «1» фактически означает подключение этого входа к питанию, а логический «0» — к земле.

Таким образом, при подаче «1» на вход нашей схемы ток от источника питания потечёт через резистор R1, базу и эмиттер на землю. При этом транзистор откроется (если, конечно, ток достаточно большой), и ток сможет идти через переход коллектор — эмиттер, а значит и через нагрузку.

Резистор R1 играет важную роль — он ограничивает ток через переход база — эмиттер. Если бы его не было, ток не был бы ничем ограничен и просто испортил бы управляющую микросхему (ведь именно она связывает линию питания с транзистором).

Максимальный ток через один выход микроконтроллера обычно ограничен значением около 25 мА (для STM32). В интернете можно встретить утверждения, что микроконтроллеры AVR выдерживают ток в 200 мА, но это относится ко всем выводам в сумме. Предельное допустимое значение тока на один вывод примерно такое же — 20-40 мА.

Это, кстати, означает, что подключать светодиоды напрямую к выводам нельзя. Без токоограничивающих резисторов, микросхема просто сгорит, а с ними светодиодам не будет хватать тока, чтобы светить ярко.

Обратите внимание, что нагрузка (LOAD) подключена к коллектору, то есть «сверху». Если подключить её «снизу», у нас возникнет несколько проблем.

Допустим, мы хотим при помощи 5 В (типичное значение для цифровых схем) управлять нагрузкой в 12 В. Это значит, что на базе мы можем получить максимум 5 В. А с учётом падения напряжения на переходе база — эмиттер, на эмиттере будет напряжение ещё меньше. Если падение напряжения на переходе равно 0,7 В,то получаем, что на нагрузку остаётся только 4,3 В, чего явно недостаточно. Если это, например, реле, оно просто не сработает. Напряжение не может быть выше, иначе тока через базу вообще не будет. Наличие падения напряжения на нагрузке также приведёт к уменьшению тока через базу.

Для расчёта сопротивления R1 нужно вспомнить соотношение для упрощённой модели транзистора:

Коэффициент $\beta$ — это коэффициент усиления по току. Его ещё обозначают $h_{21э}$ или $h_{FE}$. У разных транзисторов он разный.

Зная мощность нагрузки $P$ и напряжение питания $V$, можно найти ток коллектора, а из него и ток базы:

По закону Ома получаем:

Коэффициент $\beta$ не фиксированная величина, он может меняться даже для одного транзистора в зависимости от режима работы, поэтому лучше брать значение тока базы при расчёте чуть больше, чтобы был запас по току коллектора. Главное помнить, что ток базы не должен превышать предельно допустимое для микросхемы.

Также важно при выборе модели транзистора помнить о предельном токе коллектора и напряжении коллектор — эмиттер.

Ниже как пример приведены характеристики некоторых популярных транзисторов с проводимостью n-p-n.

Модели выбраны случайно, просто это транзисторы, которые легко найти или откуда-то выпаять. Для ключа в рассматриваемой схеме, конечно, можно использовать любой n-p-n-транзистор, подходящий по параметрам и цене.

Доработка схемы

Если вход схемы подключен к push-pull выходу, то особой доработки не требуется. Рассмотрим случай, когда вход — это просто выключатель, который либо подтягивает базу к питанию, либо оставляет её «висеть в воздухе». Тогда для надёжного закрытия транзистора нужно добавить ещё один резистор, выравнивающий напряжение между базой и эмиттером.

Кроме того, нужно помнить, что если нагрузка индуктивная, то обязательно нужен защитный диод. Дело в том, что энергия, запасённая магнитным полем, не даёт мгновенно уменьшить ток до нуля при отключении ключа. А значит, на контактах нагрузки возникнет напряжение обратной полярности, которое легко может нарушить работу схемы или даже повредить её.

Совет касательно защитного диода универсальный и в равной степени относится и к другим видам ключей.

Если нагрузка резистивная, то диод не нужен.

В итоге усовершенствованная схема принимает следующий вид.

Резистор R2 обычно берут с сопротивлением, в 10 раз большим, чем сопротивление R1, чтобы образованный этими резисторами делитель не понижал слишком сильно напряжение между базой и эмиттером.

Для нагрузки в виде реле можно добавить ещё несколько усовершенствований. Оно обычно кратковременно потребляет большой ток только в момент переключения, когда тратится энергия на замыкание контакта. В остальное время ток через него можно (и нужно) ограничить резистором, так как удержание контакта требует меньше энергии.

Для этого можно применить схему, приведённую ниже.

В момент включения реле, пока конденсатор C1 не заряжен, через него идёт основной ток. Когда конденсатор зарядится (а к этому моменту реле перейдёт в режим удержания контакта), ток будет идти через резистор R2. Через него же будет разряжаться конденсатор после отключения реле.

Ёмкость C1 зависит от времени переключения реле. Можно взять, например, 10 мкФ.

С другой стороны, ёмкость будет ограничивать частоту переключения реле, хоть и на незначительную для практических целей величину.

Пример расчёта простой схемы

Пусть, например, требуется включать и выключать светодиод с помощью микроконтроллера. Тогда схема управления будет выглядеть следующим образом.

Пусть напряжение питания равно 5 В.

Характеристики (рабочий ток и падение напряжения) типичных светодиодов диаметром 5 мм можно приблизительно оценить по таблице.

Пусть используется белый светодиод. В качестве транзисторного ключа используем КТ315Г — он подходит по максимальному току (100 мА) и напряжению (35 В). Будем считать, что его коэффициент передачи тока равен $\beta = 50$ (наименьшее значение).

Итак, если падение напряжения на диоде равно $V_{LED} = 3{,}6\,В$, а напряжение насыщения транзистора $V_{CE} = 0{,}4\,В$ то напряжение на резисторе R2 будет равно $V_{R2} = 5{,}0 — 3{,}6 — 0{,}4 = 1\,В$. Для рабочего тока светодиода $I_{LED} = 0{,}075\,А$ получаем

Значение сопротивление было округлено, чтобы попасть в ряд E12.

Для тока $I_{LED} = 0{,}075\,А$ управляющий ток должен быть в $\beta = 50$ раз меньше:

Падение напряжения на переходе эмиттер — база примем равным $V_{EB} = 0{,}7\,В$.

Отсюда

Сопротивление округлялось в меньшую сторону, чтобы обеспечить запас по току.

Таким образом, мы нашли значения сопротивлений R1 и R2.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент $\beta$ может быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты $\beta$ двух транзисторов умножаются, что позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры таких транзисторов приведены в таблице.

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET, то есть полевые транзисторы с изолированным затвором (они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET (даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её «снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует, фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где $V$ — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как постоянная времени $\tau = RC$ увеличится. Это важно, если транзистор часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе.

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это пороговое напряжение $V_{th}$, максимальный ток через сток $I_D$ и сопротивление сток — исток $R_{DS}$ у открытого транзистора.

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Для $V_{th}$ приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной мощности в виде тепла.

Схема ускоренного включения

Как уже было сказано, если напряжение на затворе относительно истока превышает пороговое напряжение, то транзистор открывается и сопротивление сток — исток мало. Однако, напряжение при включении не может резко скакнуть до порогового. А при меньших значениях транзистор работает как сопротивление, рассеивая тепло. Если нагрузку приходится включать часто (например, в ШИМ-контроллере), то желательно как можно быстрее переводить транзистор из закрытого состояния в открытое и обратно.

Относительная медленность переключения транзистора связана опять же с паразитной ёмкостью затвора. Чтобы паразитный конденсатор зарядился как можно быстрее, нужно направить в него как можно больший ток. А так как у микроконтроллера есть ограничение на максимальный ток выходов, то направить этот ток можно с помощью вспомогательного биполярного транзистора.

Кроме заряда, паразитный конденсатор нужно ещё и разряжать. Поэтому оптимальной представляется двухтактная схема на комплементарных биполярных транзисторах (можно взять, например, КТ3102 и КТ3107).

Ещё раз обратите внимание на расположение нагрузки для n-канального транзистора — она расположена «сверху». Если расположить её между транзистором и землёй, из-за падения напряжения на нагрузке напряжение затвор — исток может оказаться меньше порогового, транзистор откроется не полностью и может перегреться и выйти из строя.

Драйвер полевого транзистора

Если всё же требуется подключать нагрузку к n-канальному транзистору между стоком и землёй, то решение есть. Можно использовать готовую микросхему — драйвер верхнего плеча. Верхнего — потому что транзистор сверху.

Выпускаются и драйверы сразу верхнего и нижнего плеч (например, IR2151) для построения двухтактной схемы, но для простого включения нагрузки это не требуется. Это нужно, если нагрузку нельзя оставлять «висеть в воздухе», а требуется обязательно подтягивать к земле.

Рассмотрим схему драйвера верхнего плеча на примере IR2117.

Схема не сильно сложная, а использование драйвера позволяет наиболее эффективно использовать транзистор.

IGBT

Ещё один интересный класс полупроводниковых приборов, которые можно использовать в качестве ключа — это биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).

Они сочетают в себе преимущества как МОП-, так и биполярных транзисторов: управляются напряжением, имеют большие значения предельно допустимых напряжений и токов.

Управлять ключом на IGBT можно так же, как и ключом на MOSFET. Из-за того, что IGBT применяются больше в силовой электронике, они обычно используются вместе с драйверами.

Например, согласно даташиту, IR2117 можно использовать для управления IGBT.

Пример IGBT — IRG4BC30F.

Все предыдущие схемы отличало то, что нагрузка хоть и была мощной, но работала от постоянного тока. В схемах была чётко выраженные земля и линия питания (или две линии — для контроллера и нагрузки).

Для цепей переменного тока нужно использовать другие подходы. Самые распространённые — это использование тиристоров, симисторов и реле. Реле рассмотрим чуть позже, а пока поговорим о первых двух.

Тиристоры и симисторы

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который может находится в двух состояниях:

• открытом — пропускает ток, но только в одном направлении,
• закрытом — не пропускает ток.

Так как тиристор пропускает ток только в одном направлении, для включения и выключения нагрузки он подходит не очень хорошо. Половину времени на каждый период переменного тока прибор простаивает. Тем не менее, тиристор можно использовать в диммере. Там он может применяться для управления мощностью, отсекая от волны питания кусочек требуемой мощности.

Симистор — это, фактически двунаправленный тиристор. А значит он позволяет пропускать не полуволны, а полную волну напряжения питания нагрузки.

Открыть симистор (или тиристор) можно двумя способами:

• подать (хотя бы кратковременно) отпирающий ток на управляющий электрод;
• подать достаточно высокое напряжение на его «рабочие» электроды.

Второй способ нам не подходит, так как напряжение питания у нас будет постоянной амплитуды.

После того, как симистор открылся, его можно закрыть поменяв полярность или снизив ток через него то величины, меньшей чем так называемый ток удержания. Но так как питание организовано переменным током, это автоматически произойдёт по окончании полупериода.

При выборе симистора важно учесть величину тока удержания ($I_H$). Если взять мощный симистор с большим током удержания, ток через нагрузку может оказаться слишком маленьким, и симистор просто не откроется.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например, MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА, поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до 1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они переключаются только в начале периода, что снижает помехи в электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое — симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для России, Украины и многих других стран) — это значение действующего напряжения. Пиковое напряжение равно $\sqrt2 \cdot 230 \approx 325\,В$.

Управление индуктивной нагрузкой

При управлении индуктивной нагрузкой, такой как электродвигатель, или при наличии помех в сети напряжение может стать достаточно большим, чтобы симистор самопроизвольно открылся. Для борьбы с этим явлением в схему необходимо добавить снаббер — это сглаживающий конденсатор и резистор параллельно симистору.

Снаббер не сильно улучшает ситуацию с выбросами, но с ним лучше, чем без него.

Керамический конденсатор должен быть рассчитан на напряжение, большее пикового в сети питания. Ещё раз вспомним, что для 230 В — это 325 В. Лучше брать с запасом.

Типичные значения: $C_1 = 0{,}01\,мкФ$, $R_4 = 33\,Ом$.

Есть также модели симисторов, которым не требуется снаббер. Например, BTA06-600C.

Примеры симисторов

Примеры симисторов приведены в таблице ниже. Здесь $I_H$ — ток удержания, $\max\ I_{T(RMS)}$ — максимальный ток, $\max\ V_{DRM}$ — максимальное напряжение, $I_{GT}$ — отпирающий ток.

Электромагнитные реле

С точки зрения микроконтроллера, реле само является мощной нагрузкой, причём индуктивной. Поэтому для включения или выключения реле нужно использовать, например, транзисторный ключ. Схема подключения и также улучшение этой схемы было рассмотрено ранее.

Реле подкупают своей простотой и эффективностью. Например, реле HLS8-22F-5VDC — управляется напряжением 5 В и способно коммутировать нагрузку, потребляющую ток до 15 А.

Твердотельные реле

Главное преимущество реле — простота использования — омрачается несколькими недостатками:

• это механический прибор и контакты могу загрязниться или даже привариться друг к другу,
• меньшая скорость переключения,
• сравнительно большие токи для переключения,
• контакты щёлкают.

Часть этих недостатков устранена в так называемых твердотельных реле. Это, фактически, полупроводниковые приборы с гальванической развязкой, содержащие внутри полноценную схему мощного ключа.

Таким образом, в арсенале у нас достаточно способов управления нагрузкой, чтобы решить практически любую задачу, которая может возникнуть перед радиолюбителем.

1. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. — М.: Мир, 1993.
2. Управление мощной нагрузкой переменного тока
3. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 1
4. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 2
5. Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3
6. Щелкаем реле правильно: коммутация мощных нагрузок
7. Управление мощной нагрузкой переменного тока
8. Управление MOSFET-ами #1
9. Современные высоковольтные драйверы MOSFET- и IGBT-транзисторов
10. Ключ на плечо! – особенности применения высоковольтных драйверов производства IR

Все схемы нарисованы в KiCAD. В последнее время для своих проектов использую именно его, очень удобно, рекомендую. С его помощью можно не только чертить схемы, но и проектировать печатные платы.

12.4. Основные параметры полевых транзисторов

Параметры полевого транзистора отражают следующие зависимости.

1. Крутизна сток — затворной характеристики

. (12.1)

Физический смысл крутизны характеристики – она показывает, на сколько миллиампер изменяется ток стока при изменении напряжения на затворе на 1 В при неизменном напряжении на стоке. Вычислить Sможно по сток — затворной характеристике, непосредственно измеривI_CиU_ЗИ. У маломощных полевых транзисторовS= 0,1…20 мА/В, у мощных достигает единиц А/В.

2. Внутреннее сопротивление

. (12.2)

Внутреннее сопротивление определяется по выходной характеристике транзистора на участке от U_СИ.НАСдоU_{СИ.макс}по приращению тока стока и может составлять от нескольких десятков до сотен кОм.

3. Статический коэффициент усиления по напряжению

. (12.3)

При определении этого параметра берутся взаимно компенсирующие друг друга по действию на ток стока приращения напряжений U_СИиU_ЗИ. Поскольку эти приращения противоположны по величине, вычисляется их отношение по модулю. Статический коэффициент усиления по напряжению показывает, во сколько раз изменение напряжения на затворе эффективнее воздействует на ток стока, чем изменение напряжения на стоке. Учитывая выражения (12.1) и (12.2) можно записать

. (12.4)

Этот коэффициент определяет потенциальные возможности полевого транзистора как усилителя напряжения, и может иметь значение до нескольких сотен.

4. Входное дифференциальное сопротивление при I_C= 0

. (12.5)

Входное сопротивление может иметь значение от нескольких сотен кОм до нескольких МОм.

5. Дифференциальное сопротивление сток — затвор

. (12.5)

Этот параметр учитывает влияние напряжения стока на цепь затвора, и может иметь значение от нескольких сотен кОм до нескольких МОм.

В качестве предельных параметров полевых транзисторов выделяют следующие:

— максимально допустимое напряжение затвор-исток U_{ЗИ.макс};

— максимально допустимое напряжение сток-исток U_{СИ.макс};

— максимально допустимый ток стока I_C.макс;

— максимально допустимая рассеиваемая мощность Р_макс.

12.5. Схемы включения полевого транзистора и их основные параметры

По аналогии с биполярным транзистором для полевого транзистора существуют схемы включения с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и общим стоком (ОС). Рассмотрим эти схемы для транзистора с управляющим p-nпереходом и каналомnтипа.

В зависимости от схемы включения полевого транзистора изменяются его параметры: коэффициент передачи по напряжению в режиме нагрузки K_U, входноеr_вхи выходноеr_выхсопротивление, сдвиг фазы усиливаемого сигнала. В таблице 12.1 представлены схемы включения транзистора и их основные параметры.

Таблица 12.1

Схемы включения полевого транзистора и их основные параметры

Контрольные вопросы

1. Чем отличаются полевые и биполярные транзисторы?

2. По каким параметрам классифицируются полевые транзисторы?

3. Расшифруйте обозначение КП302А, КП904Б.

4. Нарисуйте схемы включения ОЗ и ОИ полевого транзистора с управляющим p‑n переходом и каналом n-типа, работающего в нормальном активном режиме. Укажите полярность питающих напряжений и направление токов.

Лекция 5 Полевые транзисторы и принцип их работы

1.5. Полевые транзисторы, принцип их работы

Наряду с биполярными транзисторами нашли применение полевые транзисторы, в которых рабочие носители заряда переносятся по каналу, формируемому в полупроводнике n или p типа таким образом, что они не проходят через границы p и n слоев. По способу формирования канала эти приборы подразделяются на транзисторы с p-n переходом, со встроенным каналом и индуцируемым каналом. Два последних типа относятся к МДП-транзисторам.

В отличие от биполярного транзистора, где происходит токовое управление потоком рабочих носителей заряда, в полевом транзисторе управление потоком осуществляется электрическим полем, что и дало наименование прибору. Преимуществом полевых транзисторов является весьма малый уровень мощности, который потребляется для управления потоком, поскольку ток входной цепи практически равен нулю. Однако эти транзисторы уступают биполярным по уровню выходной мощности.

Рис.1.11. Структура полевого транзистора

с p—n переходом

Структура транзистора с p-n переходом схематически представлена на рис.1.11. Прибор имеет три электрода: исток (аналог эмиттера в биполярном транзисторе), сток (аналог коллектора) и затвор (аналог базе). На рис.1.11 показано включение этого транзистора по схеме с общим истоком, аналогичной схеме ОЭ включения биполярного транзистора. Канал протекания рабочих носителей заряда (в рассматриваемом случае электронов), формируемый в полупроводнике n-типа, заключен между двумя p-n переходами. Канал с двух сторон снабжен двумя электродами: истоком, с которого носители заряда начинают движение, и стоком, где это движение заканчивается. Третий электрод, затвор, соединен с p-слоями. Между истоком и стоком приложено напряжение U, обеспечивающее перенос носителей заряда между этими электродами. Управляющим (входным) напряжением является U. На затвор подается “минус” относительно истока. Таким образом, p-n переход находится в закрытом состоянии, что обусловливает малую величину тока в цепи затвора. При увеличении отрицательного значения напряжения U происходит увеличение ширины p-n перехода за счет n- слоя канала, а тем самым уменьшение ширины канала (см. рис.1.12,а). В результате происходит увеличение сопротивления канала, что и обеспечивает управление потоком электронов.

Рис.1.12. Сужение канала полевого транзистора с p—n переходом при приложении напряжений: а — U, б — U

Напряжение U также изменяет ширину канала за счет изменения ширины p-n перехода. Однако, поскольку оно равномерно приложено по длине канала, то его ширина уменьшается по мере приближения к стоку, к которому подведен “плюс” (см. рис.1.12,б). Очевидно, степень уменьшения ширины канала, а, следовательно, его сопротивление будет увеличиваться при увеличении напряжения U. Этим объясняется вид выходной, стоковой характеристики, приведенной на рис.1.13. При малых значениях напряжения U обусловленное этим напряжением уменьшение ширины канала не существенно. В данных условиях на движения носителей заряда в канале оказывает влияние только напряжение между стоком и истоком, в результате чего ток стока I резко увеличивается с ростом U. При больших значениях напряжения U ток носителей заряда находится под влиянием двух противодействующих факторов. С увеличением напряжения, с одной стороны, увеличивается скорость переноса носителей заряда от истока к стоку, а с другой стороны, — увеличивается сопротивление канала. В результате величина тока стока лишь немного растет при увеличении напряжения U, в приборе устанавливается режим насыщения, ограничивающийся сверху пробивным напряжением U_{си проб}. Режимы пробоя на рис.1.13 (а также на рис.1.15) не указаны. Увеличение отрицательного напряжения U увеличивает сопротивление канала, что обусловливает смещение вольт-амперной характеристики в область малых значений тока I. При этом также уменьшается величина напряжения пробоя.

Рис.1.13. Стоковая характеристика полевого

транзистора с p—n переходом

Наименование МДП-транзисторы (“металл – диэлектрик – проводник”) связано с конструктивными особенностями этих приборов. Они отражены на рис.1.14, на котором приведена схема конструкции транзистора с встроенным каналом. На поверхности подложки, которая выполнена из полупроводника типа p, создается канал n -типа с областями истока и стока. Полупроводник покрыт окисной пленкой, на которую наносится металлическая пленка, выполняющая функцию затвора. Таким образом, канал оказывается изолированным от затвора диэлектрической, окисной пленкой. В общем случае МДП-транзистор имеет четыре электрода. Четвертый электрод соединен с подложкой. Схема включения такого транзистора показана на рис.1.14.

Рис.1.14. Структура МДП-транзистора

Технология изготовления МДП-транзисторов с индуцированным каналом обусловила их широкое применение в составе микросхем. В таких транзисторах специально канал не создается. Он формируется (индуцируется) на поверхности подложки при положительном напряжении затвор- исток, когда электрическое поле затвора вытягивает из подложки электроны, за счет которых создается канал протекания тока стока. Очевидно, в МДП-транзисторе с индуцированным каналом при нулевом напряжении U ток стока отсутствует, а с увеличением напряжения затвор-исток увеличивается ток стока, что иллюстрируется рис.1.15, на котором приведена стоковая характеристика такого прибора.

Рис.1.15. Стоковые характеристики МДП-транзистора

с индуцированным каналом

Следует отметить, что в биполярном транзисторе ток коллектора также увеличивается с увеличением входного напряжения (см. рис.1.8 и 1.9). Однако, начальные участки вольт-амперных характеристик выходных цепей биполярных и полевых транзисторов отличаются. Если в биполярном транзисторе в области малых напряжений U_КЭ наклон вольт-амперных характеристик не зависит от тока базы, т.е. от входного напряжения, то в полевом транзисторе, как видно из рис.1.15, эта зависимость существенна. Принципы работы МДП-транзисторов были рассмотрены на примере приборов с n-каналом. Аналогичным образом функционируют и транзисторы с p-каналом, в которых рабочими носителями заряда являются дырки, а подложка выполнена из полупроводникового материала n-типа. В таких приборах направление токов и полярность напряжений будут противоположны тем, которые имеются у приборов с n-каналом. На рис.1.16 приведены схемные обозначения полевых транзисторов.

Рис.1.16. Схемные обозначения полевых транзисторов:

1 — транзистор с p—n переходом: с n-каналом,

2 — транзистор с p—n переходом и с p-каналом,

3 — МДП-транзистор с встроенным n-каналом,

4 — МДП-транзистор с встроенным p— каналом,

5 — МДП-транзистор с индуцированным n-каналом,

6 — МДП-транзистор с индуцированным p— каналом

Входное и выходное сопротивления полевых транзисторов, в отличие от биполярных, имеют существенную емкостную компоненту. Это учитывается схемой замещения для переменных токов и напряжений. Наиболее распространенная схема замещения полевого транзистора приведена на рис.1.17, в которой отражено наличие трех межэлектронных емкостей: С_зи – затвор – исток, С_си – сток – исток, С_зс – затвор – сток. Первые две обусловлены, в основном, барьерной емкостью закрытого p-n- перехода, примыкающего как к истоку, так и к стоку. Поэтому их величины, составляющие 10 – 40 пФ, в три – пять раз превышают величину емкости сток – исток.

Рис.1.17. Схема замещения полевого транзистора

Наличие в схеме источника тока Su_вх отражает зависимость выходного тока от входного напряжения, где S – крутизна передаточной характеристики, определяемая соотношением

S =.

Зависимость выходного тока от напряжения сток – исток учитывается сопротивлением r_i, величина которого определяется как

r_i = .

Величины параметров S и r_i рассчитываются с использованием стоковой характеристики транзистора.