Немного теории. Схемы включения полевого транзистора.
Предыдущая статья о схемах включения биполярных транзисторов одобрена читателями, поэтому решил написать и полевых транзисторах.
Во-первых давайте сравним принцип действия биполярного и полевого транзистора. В биполярном транзисторе малый ток базы управляет током коллектора, который больше него. И коэффициент усиления по постоянному току будет примерно равен отношению приращения тока коллектора к приращению тока базы, вызвавшего его. Т.е. ток управляет током.
В полевых транзисторах все не так. Там током стока (аналог коллектора) управляет электрическое поле затвора (аналог базы). Здесь мы уже не можем говорить о коэффициенте усиления. Здесь используется другое понятие — крутизна, т.е. изменение тока стока к вызвавшему его изменению напряжения электрического поля затвора (мА/В). Т.е. током управляет поле (электрическое). Поэтому транзисторы и называются пОлевыми (но чаще говорят полевЫе). (Некоторые этому удивляются, но говорят же наши правоохранители, что дело возбУждено, а все остальные — возбужденО,) Так как управление осуществляется полем, то это говорит о чрезвычайно высоком входном сопротивлении управляющего электрода, т.е. затвора — десятки и сотни МОм. В этом отношении полевой транзистор является твердотельным родственником электронной лампы (триода), ведь там током анода управляет электрическое поле сетки.
Но по схемам включения аналогия с биполярным транзистором: схема с общим затвором (как схема с общей базой или заземленной сеткой), с общим истоком (как схема с общим эмиттером или общим катодом) и с общим стоком — истоковый повторитель (эмиттерный повторитель или катодный повторитель).
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 МОм, 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). На рис. 1 слева мы видим два источника питания, причем в цепь затвора подается отрицательное напряжение смещения. В реальных схемах (рис.1 справа) иметь два источника питания невыгодно. Поэтому в цепь истока включают резистор, при протекании через который тока, на верхнем его выводе возникает положительное напряжение. При этом на затворе транзистора напряжение становиться отрицательным по отношению к истоку. Конденсатор С2 убирает ООС по переменному току. замыкая его на общий провод. Включение полевого транзистора по схеме с общим истоком широко применяется в усилителях и преобразователях, в том числе и балансных. Коэффициент усиления каскада зависит от крутизны транзистора и сопротивления нагрузки.
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. Входное сопротивление низкое (десятки — сотни Ом), что позволяет легко согласовать такие усилители с кабелями. Выходное сопротивление — единицы-десятки кОм, что позволяет включать в цепь стока высокодобротные контуры. 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. 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. В качестве примера в правой части рис. 2 приведена схема УВЧ конвертера 144 МГц (журнал «QST» (США). 1973, №8). Несмотря на то, что схема «с бородой», транзисторы MFP102 до сих пор производятся и их можно купить на али по 10-15 руб. По подобным схемам (полевик в схеме с ОЗ) ряд зарубежных фирм выпускает готовые СВЧ усилители. Подобные усилители широко применяются для увеличения уровня сигнала GPS, GSM, WiFi и др. систем связи и беспроводного интернета. В качестве примера подобных усилителей можно назвать усилители радиочастоты фирмы MAXIM, VISHAY или RF Micro Devices.
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 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. Т.е. данный каскад является трансформатором сопротивления и усиливает сигнал по мощности.
Источник
Полевой транзистор схема управления нагрузкой постоянного тока
Полевой транзистор схема: эффективная регулировка нагрузки постоянного тока
Полевой транзистор схема, которого представлена в этой публикации способна управлять мощной постоянной нагрузкой также эффективно как и сборки Дарлингтона или биполярные транзисторы.
Полевой транзистор схема, которого 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 соорудить 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=I 2 R. 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
Источник
Время переключения полевого транзистора. Емкость затвор — сток, исток. Включение, выключение. Встроенный диод. FET, MOSFET, МОП
Переключение полевого транзистора. Входные емкости. Встроенный диод. (10+)
Полевой транзистор — силовой ключ — Время переключения, встроенный диод
Материал является пояснением и дополнением к статье:
Полевой транзистор
Полевой транзистор. Определение. Обозначение. Классификация
Время переключения и входные емкости полевого транзистора
Для включения (перехода в открытое состояние) полевого транзистора необходимо, чтобы напряжение на затворе достигло заданного. Для выключения, напряжение должно упасть до напряжения закрывания. У полевого транзистора имеют место быть емкости затвор — исток и затвор — сток. Для открытия, эти емкость затвор — исток надо зарядить, а емкость затвор — сток разрядить. Для закрытия — наоборот. Временем перезарядки этих емкостей и определяется время переключения полевого транзистора.
Емкость затвор — исток обычно намного больше емкости затвор — сток. Но первая емкость должна заряжаться до напряжения управления, а вторая до напряжения на стоке. А это напряжение при индуктивной нагрузке может быть в разы больше коммутируемого напряжения. (Подробнее о индуктивных бросках напряжения будет отдельная статья). Так что если мы коммутируем большое напряжение, то вклад емкости затвор — сток может быть очень существенным.
Вашему вниманию подборка материалов:
Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам
Проведем расчет времени переключения полевого транзистора. Зададим [Максимально возможное напряжение на стоке в закрытом состоянии в момент переключения, В], помните, что при индуктивной нагрузке оно в момент закрытия транзистора может быть в разы больше напряжения питания, в остальных случаях будет считать его равным напряжению питания (коммутируемому напряжению), [Управляющий ток, А], [Управляющее напряжение, В], [Емкость затвор — исток, нФ], [Емкость затвор — сток, нФ]
[Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — исток, нКл] = [Управляющее напряжение, В] * [Емкость затвор — исток, нФ]
[Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — сток, нКл] = ([Управляющее напряжение, В] + [Максимально возможное напряжение на стоке в закрытом состоянии в момент переключения, В]) * [Емкость затвор — сток, нФ]
[Время переключения, мкс] = ([Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — исток, нКл] + [Заряд, который необходимо подвести к емкости затвор — сток, нКл]) / [Управляющий ток, А] / 1000
Обратный диод
Конструктивно между истоком и стоком полевого транзистора формируется диод полярности, обратной к той, в которой транзистор должен работать. Горе-разработчики нередко используют этот диод, если нужно защунтировать обратное напряжение на полевом транзисторе. Я и сам так делал в кружке технического творчества в школе. Этот диод имеет ужасные характеристики. Например, падение напряжения на нем в прямом направлении составляет более 1.5 вольта. Время переключения просто огромное. Нередко на этом диоде рассеивается большая мощность, чем на полевом транзисторе в результате его работы в штатном режиме. Если на силовом полевом транзисторе в схеме бывает обратное напряжение, его надо шунтировать внешним обратным диодом. Внутренний обратный диод никогда не должен открываться.
Мы обычно применяем в качестве силовых полевых ключей Высоковольтный полевой транзистор irfp450 и Мощный полевой транзистор irfp2907 в зависимости от рабочего напряжения.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.
Я собрал уже вторую схему Алмаг 1. При включении выходные ирф640 мгновенно сильно нагреваются под нагрузкой катушек магнитов. Без катушек нагрева нет, а в телефоне поставленном вместо магнита слышен низкочастотный треск работающего генератора. В деталях и монтаже брака не обнаружил. Пожалуйста объясните в чем может быть причина и как устранить устранить нагрев. Первый вариан Читать ответ.
Защита силового ключа от перенапряжения. Сброс скачков напряжения на т.
Как защитить силовой транзистор от пробоя броском высокого напряжения. Описание .
Практика проектирования электронных схем. Самоучитель электроники.
Искусство разработки устройств. Элементная база радиоэлектроники. Типовые схемы.
Пушпульный импульсный источник питания. Онлайн расчет. Форма. Подавлен.
Как рассчитать пуш-пульный импульсный преобразователь напряжения. Как подавить п.
Металлоискатель самодельный. Сделать, собрать самому, своими руками. С.
Схема металлоискателя с высокой разрешающей способностью. Описание сборки и нала.
Составной транзистор. Схемы Дарлингтона, Шиклаи. Расчет, применение.
Составной транзистор — схемы, применение, расчет параметров. Схемы Дарлингтона, .
Диодные схемы. Схемные решения. Схемотехника. Частота, мощность, шумы.
Классификация, типы полупроводниковых диодов. Схемы, схемные решения на диодах. .
Источник