Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками
В предыдущей статье мы рассматривали схемы ЗУ с использованием в качестве силового ключа мощные p-n-p или n-p-n транзисторы. Они позволяли получить достаточно большой ток при небольшом количестве радиодеталей, но у используемых биполярных транзисторов имеется существенный недостаток…
— это большое падение напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения, достигающее 2 … 2,5 В у составных транзисторов, что приводит к их повышенному нагреву и необходимости установки транзисторов на большой радиатор.
Гораздо экономичней вместо биполярных транзисторов устанавливать силовые МОП (MOSFET) транзисторы, которые при тех же токах имеют гораздо меньшее (в 5 -10 раз) падение напряжения на открытом переходе сток-исток. Проще всего вместо силового p-n-p транзистора установить мощный p-канальный полевой транзистор, ограничив с помощью дополнительного стабилитрона напряжение между истоком и затвором на уровне 15В. Параллельно стабилитрону подключается резистор сопротивлением около 1 кОм для быстрой разрядки ёмкости затвор-исток.
Гораздо более распространены и доступней силовые n- канальные МОП транзисторы, но принципиальная схема устройства с такими транзисторами несколько усложняется, т.к. для полного открытия канала сток-исток на затвор необходимо подать напряжение на 15 В выше напряжения силовой части. Ниже рассмотрена схема такого устройства.
Мощный лабораторный блок питания 1,5 -30В, 0-5А на MOSFET транзисторе
Основа конструкции мало отличается от ранее рассмотренных устройств на биполярных силовых транзисторах. С помощью конденсаторов С1-С3 и диодов VD1-VD5 в схеме формируется повышенное на 15 В напряжение, которое с помощью транзисторов VT2, VT3 подаётся на затвор полевого транзистора VT1.
В схеме желательно использовать MOSFET с наиболее низким сопротивлением открытого канала, но максимальное допустимое напряжение этих транзисторов должно быть в 1,5 — 2 раза выше напряжения силовой цепи. В качестве диода VD8 желательно использовать диоды с барьером Шоттки с рабочим напряжением выше максимального в силовой цепи, в крайнем случае можно использовать КД213А или КД2997, КД2799, но их придётся установить на небольшой радиатор. Требования к изготовлению накопительного дросселя DR1 такие же как и в зарядных устройствах с биполярными ключевыми транзисторами.
При отсутствии подходящего проволочного резистора, используемого в качестве токового шунта R17 схему можно доработать, используя небольшой отрезок манганинового провода диаметром 2 мм или мощные проволочные резисторы сопротивлением 0,01 …0,05 Ом.
Следующая схема имеет нормализацию напряжения на токовом шунте и усилителя на ОУ.
Лабораторный блок питания с усилителем-нормализатором напряжения шунта
Предлагаемая схема отличается от описанной, выше наличием операционного усилителя DA2, что позволяет можно использовать как любой проволочный резистор сопротивлением 0,01 … 0,05 Ом и мощностью 1 — 2 Вт, так и кусок подходящего нихромового или манганинового провода диаметром 1,5 … 2 мм.
Операционный усилитель усиливает напряжение шунта до уровня, необходимого для нормальной работы компаратора микросхемы DA1. Коэффициент усиления ОУ DA2 определяется соотношением сопротивлений резисторов R15 и R18 и определяется из условия получения на выходе ОУ напряжения 0,5 … 3 В при выбранном максимальном выходном токе устройства.
Выходной ток регулируется переменным резистором R4, максимальное напряжение на движке которого должно быть равно напряжению на выходе ОУ DA2 при максимальном рабочем токе. Сопротивление переменного резистора R4 может быть любым в пределах 1 … 100 К, а максимальное напряжение на его движке определяется сопротивлением резистора R6.
Схема позволяет получить гораздо больший выходной ток, чем выбранный автором — максимальная величина тока определяется мощностью силового трансформатора, элементами силовой цепи и настройкой узла ограничения выходного тока. В качестве DA2 может быть использован практически любой доступный операционный усилитель, например КР140УД1408, КР140УД608, КР140УД708, mA741 и т.д.
Конденсатор частотной коррекции C9 может отсутствовать при использовании ОУ, не требующих его использования. В случае использования ОУ типа КР140УД1408 (LM308) его припаивают между выводами 1 и 8, у других ОУ выводы могут быть иными.
Лабораторный блок питания отличается от ранее описанного зарядного устройства гораздо большим максимальным выходным напряжением. Автором выбрано напряжение 30В, но если использовать трансформатор с большим выходным напряжением и применить более высоковольтные силовые элементы, можно получить гораздо более высокие значения.
Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R16, сопротивление которого может быть в пределах 3,3 … 100кОм. Верхний предел выходного напряжения определяется сопротивлением резистора R17 из расчёта получения напряжения 1,5 В на движке переменного резистора R16 в его нижнем, по схеме, положении.
Схему можно упростить, исключив регуляторы тока и напряжения, а также измерительную головку, если устройство будет использоваться только для зарядки одного типа аккумуляторов. Вместо переменного резистора — регулятора выходного напряжения на печатной плате установлен многооборотный подстроечный резистор R15, а ограничение выходного тока задаётся делителем на резисторах R4, R5.
Для исключения выхода из строя диода VD11 при случайной переполюсовке аккумулятора установлен предохранитель FU2. В качестве транзисторов VT2, VT3 можно использовать любые маломощные транзисторы соответствующей структуры на напряжение 60В и ток коллектора 100мА, например КТ209Е, КТ3102Б и т.д.
В авторском варианте схема настраивалась на выходной ток 3,0 А, но его легко повысить до 6А и более, уменьшив номинал резистора R13 до 5,0 кОм.
Внешний вид платы и расположение элементов:
Предложенная схема лабораторного блока питания можно дополнить узлом защиты нагрузки от неконтролируемого повышения выходного напряжения, например, при пробое выходного транзистора или неисправности в схеме. Смотрите следующую схему:
ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ
Предлагаемый лабораторный блок питания отличается от схемы, выше наличием узла защиты нагрузки от повышенного напряжения. При включении блока питания напряжение на его выходе отсутствует, что исключает случайный выход из строя подключенной нагрузки из-за начального несоответствия установленного напряжения и требуемого. Узел ручного включения / отключения нагрузки собран на транзисторах VT5, VT7 и реле K1.
Узел работает следующим образом: в исходном состоянии транзисторы VT5, VT7 заперты и реле К1 обесточено. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 высокий потенциал на коллекторе VT7 через резистор R30 и конденсатор С11 открывает VT7 — реле К1 срабатывает, а протекающий через резистор R33 ток катушки реле открывает транзистор VT5, который через резистор R26 удерживает транзистор VT7 в открытом состоянии длительное время. На лицевой панели блока питания зажигается светодиод HL3 «НАГРУЗКА», а контакты реле К1 коммутируют выходное напряжение на выходные клеммы.
В этом состоянии на коллекторе транзистора VT7 низкий потенциал, а на коллекторе VT5 высокий. Конденсатор C10 через резистор R19 заряжается до напряжения 35В, плюсом к нижней, по схеме, обкладке и минусом к базе транзистора VT7. При повторном нажатии кнопки SB1 через резистор R30 и конденсатор С10 к базе VT7 прикладывается отрицательное напряжение — транзистор запирается, отключается реле К1, снимая напряжение с нагрузки, запирается транзистор VT5 и схема приходит в исходное состояние до следующего нажатия кнопки SB1.
Защита от нештатного повышения выходного напряжения работает следующим образом: при нормальном режиме работы напряжение на движке переменного резистора R20 всегда будет равно 1,5 В, независимо от его положения, так как схема управления на микросхеме DA1 сравнивает его с опорным на выводе 15, которое определяется параметрами делителя напряжения на резисторах R13 и R8. При неисправности в схеме это напряжение может превысить уровень 1,5 В, транзистор VT4 через резисторный делитель R15, R16 откроется, а транзистор VT7 закроется, отключив выходное реле К1. При длительной аварийной ситуации будет гореть светодиод HL2 «АВАРИЯ», а реле К1 кнопкой SB1 включаться не будет.
Защита также сработает при быстром вращении оси переменного резистора R20 в сторону уменьшения выходного напряжения, что позволяет быстро отключить нагрузку, если случайно было установлено его недопустимо высокое значение.
Схема также защищает элементы устройства от протекания большого тока при переполюсовке заряжаемого аккумулятора. Если аккумулятор ошибочно подключен минусовым выводом к плюсовой клемме блока питания, то через диод VD15 и резистор R31 откроется транзистор VT6, загорится светодиод HL2 «АВАРИЯ», а реле К1 не будет включаться кнопкой SB1, что предотвращает выход из строя контактов реле К1, конденсатора С9, катушки дросселя DR1 и диода DV10.
Очень важно вначале подключить заряжаемый аккумулятор, а затем нажать кнопку «ПУСК» для начала зарядки, в противном случае, при переполюсовке аккумулятора, перегорит предохранитель FU2.
Перед нажатием кнопки «ПУСК» движком переменного резистора R20 следует установить выходное напряжение блока питания равным его значению при полностью заряженном аккумуляторе, например, для свинцового 12В аккумулятора следует установить 14,8В. Если напряжение на выходе блока питания установить ниже, чем напряжение заряжаемого аккумулятора, то, сразу после пуска, реле К1 обесточится, отключив нагрузку, а светодиод HL2 «АВАРИЯ» кратковременно загорится.
Настройка схемы управления описана на предыдущей странице, а конструктивное исполнение накопительного дросселя приведено в предыдущих публикациях раздела зарядных устройств. Транзистор VT1 и диоды VD7, VD10 следует установить на небольшие радиаторы, площадь которых зависит от выбранного максимального рабочего тока.
Параметры силового трансформатора полностью определяются максимальными значениями выходного тока и напряжения — его мощность должна быть не менее, чем на 20% выше максимальной выходной мощности блока питания на нагрузке.
Почти все элементы схемы размещены на печатной плате, внешний вид которой изображен на рисунке. Отдельно установлен силовой трансформатор, измерительный прибор, выключатель питания, регуляторы тока и напряжения, кнопка пуска, предохранители, выходные клеммы и светодиодные индикаторы. На плате предусмотрена установка различных типов диодов в качестве VD10, даже двойных.
Все предложенные схемы можно использовать также и в качестве зарядных устройств.
Источник:kravitnik.narod.ru
ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ
П О П У Л Я Р Н О Е:
- Солнечные батареи своими руками (часть 2)
- Стабилизатор напряжения на LM2596
- Зарядка для телефона от солнца
Как уже и обещалось ранее продолжаю описание процесса изготовления самодельного солнечного коллектора из сотового поликарбоната, начатое в прошлом посте.
Начинаем сборку.
Надо сделать продольный разрез в подающей и отводящей трубе. В этот разрез будет вставлен лист сотового поликарбоната. Подробнее…
Импульсный стабилизатор напряжения 1,2 — 37 В, 3А на LM2596
На микросхеме LM2596 можно собрать стабилизированный источник напряжения, на основе которого легко сделать простой и надёжный импульсный лабораторный блок питания с защитой от короткого замыкания.
Подробнее…
Солнечная батарея для зарядки телефона
Конечно, хорошо было бы если телефон заряжался или хотя бы частично подзаряжался от источника солнечной энергии. Производители телефонов почему-то не производят самозаряжающиеся телефоны. Но всё же есть такой телефон (Samsung E1107), который в идеальных условиях может полностью зарядится от солнца за 55 часов. Жалко не везде есть так называемые идеальные условия.
Подробнее…
Популярность: 13 079 просм.
МОЩНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ
Используя в схеме стабилизатора мощный полевой транзистор, можно собрать простой стабилизатор, тем не менее имеющий очень хорошие параметры. В предлагаемом стабилизаторе БП стоит полевой транзистор IRLR2905. Он имеет в открытом состоянии сопротивление канала всего 0,02 Ома, а так-же обеспечивает ток до 30 А. Мощность, рассеиваемая транзистором, может превышать 100 Вт. Принципиальная схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рисунке, клик – для увеличения.
Работа БП на ПТ
Переменное напряжение поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр, и далее на сток полевого транзистора и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор. Часть выходного напряжения через резисторный делитель подается на вход микросхемы, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Чтобы получить плавную регулировку выходного напряжения (например для лабораторного блока питания) резистор R2 нужно заменить переменным.
Налаживание схемы
Установить нужное выходное напряжение резистором. Проверить стабилизатор на отсутствие самовозбуждения с помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам CI, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ.
Детали стабилизатора
Микросхема КР142ЕН19 заменима на более современную TL431. Конденсаторы любые малогабаритные. Параметры трансформатора, выпрямителя – диодного моста и электролитического конденсатора фильтра выбирают исходя из необходимого напряжения и тока. Транзистор обязательно посадить на эффективный теплоотвод. Возможно потребуется использование кулера.
Поделитесь полезными схемами
| САМОДЕЛЬНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ РАДИАЦИИ Счетчик Гейгера широко применяется как детектор ионизирующего излучения. Как правило, это гамма-излучение, реже – альфа-излучение. Схема и описание одного из несложных измерителей радиации показаны тут. |
На фотке — метод «ошибок трудных». Шурик, это не наш метод!
При проектировании или сборке по готовой схеме ИИП одним из острых вопросов является выбор ключей. И если по остальным деталям можно как-то подстроиться (мотать трансформатор в 2 провода вместо 1, если не хватает сечения или ставить два конденсатора параллельно вместо одного, если не хватает емкости и т.д.), то с ключами не так-то всё и просто. Неправильный выбор ведет к большому БУМУ (вспоминая знаменитый фильм Люка Бессона: «Бада-бум!») из-за теплового или электрического пробоя. И здесь тоже не всё просто. Электрический пробой произойдет сразу (или почти сразу), а вот тепловой можно ждать долго, и случится он в самый неподходящий ответственный момент.
В первый раз я задался вопросом выбора ключей около 8 лет назад. Куда же я пошел первым делом? В интернет, естественно, ага. В общем и целом могу теперь сказать так: зря я это сделал. Вопрос выбора ключей для импульсной техники в интернете оброс кучей недостоверных фактов, мифов и неправильными интерпретациями графиков в даташитах.
Мой способ выбора ключей тоже неидеальный и неполный. Однако в подавляющем большинстве случаев в радиолюбительской практике его окажется достаточно и даже за глаза, сами рады не будете.
Начнем!
Содержание / Contents
Создайте тему на любом форуме, связанным с радиоэлектроникой, с вопросом: «Как выбрать ключи в ИИП?».Ответы будут самые разнообразные: от «выбирай ключи по напряжению и максимальному току» до «выбирай ключи по графику Maximum Safe Operating Area». Сюда входят все вариации типа «выбирай на ток вдвое больше максимального тока первичной обмотки» до «надо чтобы мощность, выделяемая при падении напряжения на сопротивлении открытого перехода, была меньше максимальной рассеиваемой мощности корпуса».
Вот весь этот бред читают новички и далее «делятся опытом» с другими. Жуть, да и только.
Вот, к примеру, знаменитый график Maximum Safe Operating Area (оно же ОБР, область безопасной работы) для ключа IRFS840B:
Посмотрите на него внимательно. Посмотрите, какие оси создают этот график. Посмотрели? Больше никогда не смотрите в его сторону.
На этот график призывают смотреть люди, пришедшие из аналоговой линейной техники, линейных усилителей или линейных стабилизаторов.
Чем может быть полезен этого график для разработки импульсных преобразователей или импульсных же усилителей (они же D-класс или цифровые)? Ничем.
А, ну не совсем так: этот напоминание о том, что у полевых транзисторов отсутствует вторичный пробой и что транзистор может быть пробит как при превышении максимального рабочего напряжения, так и при превышении максимального тока через него.
Много это нам дало? Не-а, вообще ничего, это всё в начале даташита указывается словами.
Надо сказать честно, что тот график в отдельных даташитах действительно вводит в заблуждение неподготовленного человека, ибо иногда к таким графикам идет ещё один, указывающий зависимость выхода за ОБР от частоты работы транзистора. Но это всё для линейной техники, для тех ситуаций, когда есть недооткрытое или недозакрытое состояние транзисторов, когда есть некие переходные процессы.
Мы же собираемся делать технику, которая использует только 2 состояния транзистора: полностью открытое и полностью закрытое, никаких средних значений. Исходя из того, что график ОБР нам лишний раз напоминает: вторичного пробоя у полевых транзисторов нет. Следовательно, изначально нас сдерживают только 2 параметра: максимальная рабочая температура кристалла Tj, указывающая на то, когда начнется тепловой пробой, и максимальное рабочее напряжение исток-сток Vdss, определяющее, когда начнется электрический пробой.
Косвенно удерживает параметр ток стока Id, который влияет на нагрев кристалла.
Вопрос в том, что делать с температурой. Она таки считается! Для теплового расчета надо всего лишь узнать, сколько Ватт потерь получится при работе ключа и как сильно надо его охладить, чтобы не случилось теплового пробоя.
Если результат меньше Tj, то использовать такой транзистор можно. Если больше, увы и ах, но надо выбирать дальше.
Из чего состоит нагревание? Для начала из статических потерь, связанных с сопротивлением перехода Rds on, которое влияет на падение напряжения на переходе, в зависимости от протекающего через ключ тока. Это падение напряжение вызывает выделение мощности на кристалле и нагрев транзистора в открытом состоянии. Считается как произведение квадрата среднего тока импульса Iимп на сопротивление перехода Rds on и коэффициента заполнения Кзап. Последний показывает, какую часть времени транзистор открыт.
В большинстве радиолюбительских конструкции мостовых и полумостовых преобразователей и усилителей Кзап не выше 0.45, а дальнейшее увеличение его не приводит ни к чему особенно хорошему, кроме сильной боли в голове или ж…
Так, ладно, со статическими потерями разобрались.
Теперь динамические потери. Эти потери — основная проблема в преобразователях на полевых транзисторах с жесткой коммутацией ключей. Они возникают в момент включения и выключения ключа. Так сказать, потери на переходных процессах. И чем выше частота преобразования, тем выше динамические потери. А ниже делать частоту тоже не хочется, ведь тогда вырастают размеры трансформатора.
Есть резонансные или квазирезонансные схемы, позволяющие значительно снизить динамические потери, но это уже сложная техника, к которой никак не подходит выражение «простой расчет».
Итак, динамические потери состоят из потерь при включении и потерь при выключении. Считается как произведение тока в начале (Ir) или конце (If) импульса, напряжения питания (Uпит) и времени нарастания (Tr) или спада (Tf), разделенное на двойной период импульса. Хочу сразу заметить: отдельно считаются потери при включении и отдельно при выключении, а потом суммируются.
Теперь охлаждение. Основная проблема охлаждения — тепловое сопротивление между разными материалами. У транзистора таких мест 2: между кристаллом и корпусом транзистора, а так же между корпусом транзистора и радиатором. Эти значения табличные и не требующие вычислений. Первое значение берется из даташита на транзистор. Второе тоже можно взять оттуда, если оно там имеется. Если нет, то берётся усредненное значение.
Итак, потери подсчитаны, пора применять в деле. Первым делом, складываем потери динамические и статические, получаем общие потери — это сколько Ватт надо отвести от кристалла.
Затем складываем тепловые сопротивления.
Теперь умножаем общие потери на тепловое сопротивление. Получившийся результат — та температура, которую нужно «сдувать» с радиатора. Вычтем из ожидаемой рабочей температуры получившуюся, и на выходе нас ждет ожидаемая температура радиатора.
Именно по ней можно оценить, подходит или нет транзистор.
Как? Очень просто. Ожидаемая температура радиатора не может быть ниже температуры окружающей среды при естественном охлаждении. То есть, если у вас получился результат +24°, а на улице +32° то всё, кранты! Транзисторы ждёт тепловой пробой, потому как никакой супервентилятор не сможет охладить радиатор до 24 градусов, если температура воздуха выше. Совсем печально, если результат получился отрицательным. Если у вас нет фреоновой или азотной системы охлаждения, лучше выбрать другой транзистор.
Разумеется, в деле, подобном этому, есть свои тонкости и особенности. В целом, можно это охарактеризовать выражением «не доводи до крайностей», которое весьма полно объясняет чего нельзя делать, чтобы не бабахнуло.В первую очередь это касается температур. Tj — это максимальная рабочая температура кристалла транзистора, фактически потолок его работоспособности. Было бы как минимум нелепо использовать это значение при расчете. Никогда не загоняйте параметры в угол, всегда оставляйте место для маневра.
Я, к примеру, использую в расчёте температуру на 5-10° ниже, и обзываю ее «Температура ожидаемая» — Tож.. Так как наиболее часто Tj указывается в районе 125° Цельсия, я использую в расчете 115-120°.
Далее, температуру окружающей среды для оценки тоже не следует брать наобум. Есть утвержденные ГОСТы, хотя можно просто принять для средней полосы +35° и +45° для южных регионов. Это для того, чтобы в набитом людьми помещении летом техника не сгорела синим пламенем. Ну и для случаев колебания температур.
Для работы на открытом воздухе под солнцепеком есть еще более жесткие условия, но это уже за рамками радиолюбительства.
Далее о напряжениях. Всегда стоит сделать запас прочности по допустимому напряжению. Опять-таки, в даташите параметр Vdss — предельный. И подбор транзистора строго под выпрямленное напряжение сети может сыграть злую шутку. Посчитаем: при напряжении в сети 220 Вольт на выходе мостового выпрямителя будет 310 Вольт. Однако в реальности в сети редко бывает 220 Вольт, и скачки до 20%, увы, обыденное явление. И что же будет, если напряжение в сети увеличится на эти 20%? На выходе выпрямителя будет уже 378 Вольт. Добавим сюда шум от сварочника и, вуаля, 400-вольтовый ключ искрится и взрывается.
Мне довелось отремонтировать очень много усилителей, в которых многочисленные дядюшки Ляо экономили на транзисторах. Не делайте так, разочарований будет куда больше экономии.
Как-то блуждая по просторам интернета, я наткнулся на аппноут IR, рекомендовавший выбирать ключи с запасом в 200 — 250 Вольт от максимального напряжения в схеме. Увы, этот аппноут я не сохранил, а затем найти его не смог. У кого-то есть сомнения, что он вообще существует, но сама рекомендация звучит достаточно трезво, пусть и относительно недёшево.
Теперь о сопротивлении перехода. В открытом состоянии идеальный ключ должен пропускать весь ток без потерь. Увы, живём мы в неидеальном мире. В настолько неидеальном, что маркетологи с удовольствием этим пользуются. Открывая даташит любого полевого транзистора можно увидеть маленькую характеристику Rds on, написанную большим шрифтом. Так вот: это сопротивление перехода при некоей „комнатной“ температуре в 20-25 градусов. Для того же IRFS840B указывается 0,8 Ома.
Это всё красиво только на словах, на деле кристалл в процессе работы будет нагреваться, что неизбежно приведет к увеличению сопротивления открытого перехода. Об этом мало кто помнит, но именно на это надо опираться, при выборе подходящего транзистора.
Чаще всего в даташитах не указывают эти печальные цифры, а лишь приводят график температурного коэффициента сопротивления ТКС, вот он для выбранного нами транзистора:
Как видно на графике, при нагревании сопротивление открытого перехода быстро увеличивается, и для рекомендованных мною максимальных рабочих 120° ТКС открытого канала уже составляет 2,1 Ома, а значит из приятных 0,8 Ом уже получаются малоприятные 1,68 Ома. Печаль, да и только, но с этим надо считаться.
Ну и последняя из тонкостей. Обязательно учитывайте крайние характеристики транзистора. В таблицах даташита всегда указывается три значения: минимальное, типичное и максимальное (или лучшее, типичное и худшее). Это касается практически всего. Например, время открытия и время закрытия. Причем с маркетинговой точки зрения делается упор именно на типичное время открытия и закрытия. Так, например, для IRFS840B типичное время нарастания составляет 65 нс, что и пишется всюду, хотя отдельные экземпляры доходят до 140 нс, что более чем в 2 раза дольше! Соответственно, для расчета необходимо использовать именно худшее значение, если нет желания отбирать транзисторы для конструкции.
Для выбора ключевого транзистора необходимо:- Всегда помнить о неидеальности условий окружающей среды
- Использовать в расчете параметры наихудших экземпляров
- Всегда оставлять запас и место для маневров
- Иметь ввиду тепловые изменения параметров
- Не давать кристаллу перегреваться
- Не допускать перенапряжения из-за плохой сети
Все остальное считается и выбирается.
И вот здесь у меня для вас есть бонус. Так как я всё же ленив, то сделал таблицу в Excel, которая сама всё посчитает. Остается только сделать вывод о пригодности или непригодности транзистора.
▼ Файловый сервис недоступен. Зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.Краткая инструкция по использованию: редактируются только желтые ячейки, данные вписываются исходя из проектируемой конструкции (частота преобразования, напряжение питания, коэффициент заполнения) и из даташита на транзистор (все остальное).
В зеленых ячейках получаем результаты. Как интерпретировать, читайте выше.
Для преобразователей с жесткой коммутацией ключей (традиционные) ток в начале импульса (Ir) и ток в конце импульса (If) равны среднему току импульса.
Для нетрадиционных вариантов типа резонансных ZVC и прочих — согласно расчету, вплоть до 0.
Для примера, в таблицу уже внесены данные на полюбившийся IRFS840B, в полумостовом преобразователе с жесткой коммутацией ключей со средним током первичной обмотки 2А.
Очень надеюсь, что этот маленький опус поможет выбрать транзисторы правильно и при этом не убить нервы.
Всем удачи! Спасибо за внимание!
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
Михаил Соловьев (-=Sm()kE=-)
Чебоксары
Работаю в Relpro Industrial Group в направлении производства реле и выпрямительных систем. Начальник, инженер, технолог, монтажник и специалист по применению в одном лице, хотя, к счастью, почти всегда есть кому меня заменить в вопросах монтажа и инженерии 🙂
Источники питания
Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе
И. НЕЧАЕВ, г. Курск
В статье описан аналоговый стабилизатор напряжения для блока питания повышенной мощности. Автору удалось значительно улучшить параметры стабилизатора, применив в качестве силового элемента мощный переключательный полевой транзистор.
При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, “усиленные” одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.
Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис.1. В нем в качестве силового применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме. Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечиваетток до 30 А при температуре корпуса до 100 °С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5…3 В [1]. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.
Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (TL431). Ее назначение, устройство и параметры подробно описаны в статье [2]. Работает стабилизатор (рис. 1) следующим образом. При подключении сетевого трансформатора Т1 к сети на его вторичной обмотке появляется переменное напряжение около 13 В (эффективное значение). Оно выпрямляется диодным мостом VD1, и на сглаживающем конденсаторе большой емкости (обычно несколько десятков тысяч микрофарад) выделяется постоянное напряжение около 16 В.
Высокочастотный преобразователь (инвертор)
В первой части нашего рассказа о схемотехнике блоков питания персональных компьютеров мы познакомились со схемой входного сетевого выпрямителя и фильтра. Давайте продолжим изучение компьютерного блока питания. Здесь мы разберёмся в том, как работает высокочастотный преобразователь – инвертор.
Постоянное напряжение 310 вольт, снимаемое с сетевого выпрямителя, подаётся на высокочастотный преобразователь. Высокочастотный преобразователь – это двухтактный инвертор, выполненный по схеме полумоста. Преобразователь работает на частоте в десятки килогерц и нагружен на высокочастотный силовой трансформатор.
Частота преобразования выбирается порядка 18 – 50 КГц, что подразумевает маленькие размеры силового трансформатора и небольшие величины ёмкостей конденсаторов фильтров. Один из плюсов импульсного блока питания является высокий КПД, достигающий 80% и экономичность, поскольку блок потребляет энергию только в то время, когда один из транзисторов преобразователя открыт. Когда он закрыт, энергию на нагрузку отдаёт конденсатор фильтра вторичной цепи.
Управление полумостовым инвертором осуществляется ШИМ-контроллером (Узел управления). Об узле управления блоком питания будет рассказано в следующей части.
Итак, высокочастотный преобразователь работает следующим образом: на него приходит постоянное напряжение 310 вольт с сетевого выпрямителя и конденсаторов фильтра. Одновременно в базовые цепи мощных транзисторов подаются прямоугольные импульсы положительной полярности и с частотой следования допустим 20 кГц. С этой частотой транзисторы как ключевые элементы открываются и закрываются.
На первичной обмотке трансформатора Т2 присутствует импульсное высокое напряжение с той же частотой 20 кГц. Трансформатор, естественно, понижающий и на его вторичных обмотках, которых несколько, формируются все необходимые для работы компьютера питающие напряжения, после этого все напряжения выпрямляются, фильтруются и подаются на системную плату.
Мощные ключевые транзисторы инвертора являются своеобразными “мускулами” блока питания. Именно через ключевые транзисторы инвертора “прокачивается” вся мощность, которая потребляется компьютером. Ключевые транзисторы устанавливаются на радиатор для принудительного охлаждения во время работы, а сам радиатор обдувается вентилятором.
В качестве ключевых транзисторов инвертора могут применяться как биполярные, так и полевые MOSFET транзисторы. Обычно же используются биполярные транзисторы.
Взглянем на схему. На ней изображена часть схемы ИБП марки GT-150W.
Биполярные транзисторы VT1 и VT2 поочерёдно открываются с частотой в десятки килогерц. Трансформатор T2 – импульсный силовой трансформатор. Он же обеспечивает гальваническую развязку от электросети. Импульсный силовой трансформатор заметно выделяется на фоне других трансформаторов, установленных на печатной плате. Найти его не сложно.
Со вторичных обмоток трансформатора T2 снимается пониженное переменное напряжение. На схеме показаны элементы одного из выходных выпрямителей +12 вольт (VD6, VD7, L1, C5). Электролитические конденсаторы C6, C7 – это конденсаторы сетевого фильтра и выпрямителя, речь о котором шла в первой части.
Трансформатор T1 – согласующий. Он является промежуточным звеном между микросхемой ШИМ-контроллера и мощными ключевыми транзисторами VT1, VT2. Габариты его заметно меньше, чем у трансформатора T2. Диоды VD4 и VD5 предохраняют мощные транзисторы от напряжения обратной полярности. У мощных полевых транзисторов эти диоды, как правило, уже встроены, поэтому на печатной плате диоды VD4, VD5 можно и не обнаружить. Так же защитные диоды встраивают в некоторые мощные биполярные транзисторы. Всё зависит от марки транзистора.
Схема запуска.
Узел управления инвертора питается выходным напряжением блока, но в момент включения все напряжения отсутствуют. Начальный запуск может осуществляться разными способами. Рассмотрим более подробно схему запуска инвертора, которая “заводит” мощный каскад инвертора.
После включения блока питания на базы транзисторов VT1, VT2 подаётся напряжение через делитель, выполненный на резисторах R3 – R6. При этом транзисторы “приоткрываются”. При этом ещё начинается заряд конденсатора C4. Ток заряда конденсатора C4 проходя через часть вторичной обмотки (II) трансформатора T1 наводит в ней (обмотке II) и обмотке III напряжение. Это напряжение открывает один из транзисторов (VT1 или VT2). Какой именно из транзисторов откроется зависит от характеристик элементов каскада.
В результате открытия одного из ключевых транзисторов во вторичной обмотке трансформатора T2 появляется импульс тока, который проходит через один из диодов (VD6 или VD7) и заряжает конденсатор C3. Напряжения на C3 достаточно для питания узла управления в момент пуска инвертора. Далее в работу включается узел управления, который и начинает управлять транзисторами VT1 и VT2 в штатном режиме.
Вот так хитроумно реализована схема запуска инвертора.
В мощном каскаде наиболее частой неисправностью является выход из строя транзисторов, поскольку они работают в достаточно тяжёлом тепловом режиме. Ну, и, конечно, слабое звено это электролитические конденсаторы, которые со временем “высыхают” и теряют ёмкость. Также элктролиты выходят из строя из-за превышения рабочего напряжения.
НазадДалее
Главная » Мастерская » Текущая страница
Что такое полевой транзистор и как его проверить
Добрый день, друзья!
Недавно мы с вами начали плотнее знакомились с тем, как устроено компьютерное «железо». И познакомились одним из его «кирпичиков» — полупроводниковым диодом. Компьютер – это сложная система, состоящая из отдельных частей. Разбирая, как работают эти отдельные части (большие и малые), мы приобретаем знание.
Обретая знание, мы получаем шанс помочь своему железному другу-компьютеру, если он вдруг забарахлит. Мы же ведь в ответе за тех, кого приручили, не правда ли?
Сегодня мы продолжим это интересное дело, и попробуем разобраться, как работает самый, пожалуй, главный «кирпичик» электроники – транзистор. Из всех видов транзисторов (их немало) мы ограничимся сейчас рассмотрением работы полевых транзисторов.
Почему транзистор – полевой?
Слово «транзистор» образовано от двух английских слов translate и resistor, то есть, иными словами, это преобразователь сопротивления.
Среди всего многообразия транзисторов есть и полевые, т.е. такие, которые управляются электрическим полем.
Электрическое поле создается напряжением. Таким образом, полевой транзистор – это полупроводниковый прибор, управляемый напряжением.
В англоязычной литературе используется термин MOSFET (MOS Field Effect Transistor). Есть другие типы полупроводниковых транзисторов, в частности, биполярные, которые управляются током. При этом на управление затрачивается и некоторая мощность, так как к входным электродам необходимо прикладывать некоторое напряжение.
Канал полевого транзистора может быть открыт только напряжением, без протекания тока через входные электроды (за исключением очень небольшого тока утечки). Т.е. мощность на управление не затрачивается. На практике, однако, полевые транзисторы используются большей частью не в статическом режиме, а переключаются с некоторой частотой.
Конструкция полевого транзистора обуславливает наличие в нем внутренней переходной емкости, через которую при переключении протекает некоторый ток, зависящий от частоты (чем больше частота, тем больше ток). Так что, строго говоря, некоторая мощность на управление все-таки затрачивается.
Где используются полевые транзисторы?
Настоящий уровень технологии позволяет сделать сопротивление открытого канала мощного полевого транзистора (ПТ) достаточно малым – в несколько сотых или тысячных долей Ома!
И это является большим преимуществом, так как при протекании тока даже в десяток ампер рассеиваемая на ПТ мощность не превысит десятых или сотых долей Ватта.
Таким образом, можно отказаться от громоздких радиаторов или сильно уменьшить их размеры.
ПТ широко используются в компьютерных блоках питания и низковольтных импульсных стабилизаторах на материнской плате компьютера.
Из всего многообразия типов ПТ для этих целей используются ПТ с индуцированным каналом.
Как работает полевой транзистор?
ПТ с индуцированным каналом содержит три электрода — исток (source), сток (drain), и затвор (gate).
Принцип работы ПТ наполовину понятен из графического обозначения и названия электродов.
Канал ПТ – это «водяная труба», в которую втекает «вода» (поток заряженных частиц, образующих электрический ток) через «источник» (исток).
«Вода» вытекает из другого конца «трубы» через «слив» (сток). Затвор – это «кран», который открывает или перекрывает поток. Чтобы «вода» пошла по «трубе», надо создать в ней «давление», т.е. приложить напряжение между стоком и истоком.
Если напряжение не приложено («давления в системе нет»), тока в канале не будет.
Если приложено напряжение, то «открыть кран» можно подачей напряжения на затвор относительно истока.
Чем большее подано напряжение, тем сильнее открыт «кран», больше ток в канале «сток-исток» и меньше сопротивление канала.
В источниках питания ПТ используется в ключевом режиме, т.е. канал или полностью открыт, или полностью закрыт.
Честно сказать, принципы действия ПТ гораздо более сложны, он может работать не только в ключевом режиме. Его работа описывается многими заумными формулами, но мы не будем здесь все это описывать, а ограничимся этими простыми аналогиями.
Скажем только, что ПТ могут быть с n-каналом (при этом ток в канале создается отрицательно заряженными частицами) и p-каналом (ток создается положительно заряженными частицами). На графическом изображении у ПТ с n-каналом стрелка направлена внутрь, у ПТ с p-каналом – наружу.
Собственно, «труба» — это кусочек полупроводника (чаще всего – кремния) с примесями химических элементов различного типа, что обуславливает наличие положительных или отрицательных зарядов в канале.
Теперь переходим к практике и поговорим о том,
Как проверить полевой транзистор?
В норме сопротивление между любыми выводами ПТ бесконечно велико.
И, если тестер показывает какое-то небольшое сопротивление, то ПТ, скорее всего, пробит и подлежит замене.
Во многих ПТ имеется встроенный диод между стоком и истоком для защиты канала от обратного напряжения (напряжения обратной полярности).
Таким образом, если поставить «+» тестера (красный щуп, соединенный с «красным» входом тестера) на исток, а «-» (черный щуп, соединенный с черным входом тестера) на сток, то канал будет «звониться», как обычный диод в прямом направлении.
Это справедливо для ПТ с n-каналом. Для ПТ с p-каналом полярность щупов будет обратной.
Как проверить диод с помощью цифрового тестера, описано в соответствующей статье. Т.е. на участке «сток — исток» будет падать напряжение 500-600 мВ.
Если поменять полярность щупов, к диоду будет приложено обратное напряжение, он будет закрыт и тестер это зафиксирует.
Однако исправность защитного диода еще не говорит об исправности транзистора в целом. Более того, если «прозванивать» ПТ, не выпаивая из схемы, то из-за параллельно подключенных цепей не всегда можно сделать однозначный вывод даже об исправности защитного диода.
В таких случаях можно выпаять транзистор, и, используя небольшую схему для тестирования, однозначно ответить на вопрос – исправен ли ПТ или нет.
В исходном состоянии кнопка S1 разомкнута, напряжение на затворе относительно стока равно нулю. ПТ закрыт, и светодиод HL1 не светится.
При замыкании кнопки на резисторе R3 появляется падение напряжения (около 4 В), приложенное между истоком и затвором. ПТ открывается, и светодиод HL1 светится.
Эту схему можно собрать в виде модуля с разъемом для ПТ. Транзисторы в корпусе D2 pack (который предназначен для монтажа на печатную плату) в разъем не вставишь, но можно припаять к его электродам проводники, и уже их вставить в разъем. Для проверки ПТ с p-каналом полярность питания и светодиода нужно изменить на обратную.
Иногда полупроводниковые приборы выходят из строя бурно, с пиротехническими, дымовыми и световыми эффектами.
В этом случае на корпусе образуются дыры, он трескается или разлетается на куски. И можно сделать однозначный вывод об их неисправности, не прибегая к приборам.
В заключение скажем, что буквы MOS в аббревиатуре MOSFET расшифровываются как Metal — Oxide — Semiconductor (металл – оксид – полупроводник). Такова структура ПТ – металлический затвор («кран») отделен от канала из полупроводника слоем диэлектрика (оксида кремния).
Надеюсь, с «трубами», «кранами» и прочей «сантехникой» вы сегодня разобрались.
Однако, теория, как известно, без практики мертва! Надо обязательно поэкспериментировать с полевиками, поковыряться, повозиться с их проверкой, пощупать, так сказать.
Кстати, купить полевые транзисторы можно вот здесь.
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.
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.
транзисторов с полевым эффектом – JFET
В настоящее время имеются обновленные и расширенные версии наших страниц FET по адресу https://learnabout-electronics.org/Semiconductors/fet_01a.php.
Пожалуйста, нажмите зеленую кнопку, чтобы перейти к новым версиям
Перейти на новую страницуJFET (транзисторы с полевым эффектом соединения)
Хотя для полевых транзисторов (FET) существует много запутанных названий, в основном существует два основных типа:
1. Типы PN с обратным смещением, JFET или JET FET, (также называемый JETFET или JEPF Unipolar Gate FET).
2. Устройства FET с изолированным затвором (IGFET).
Все полевые транзисторы можно назвать устройствами UNIPOLAR, потому что все носители заряда, которые переносят ток через устройство, относятся к одному и тому же типу, т.е. к дыркам или электронам, но не к обоим. Это отличает полевые транзисторы от биполярных устройств, в которых дырки и электроны отвечают за протекание тока в любом устройстве.
JFET
Это было самое раннее доступное устройство FET. Это управляемое напряжением устройство, в котором ток протекает от клеммы SOURCE (эквивалентной эмиттеру в биполярном транзисторе) в DRAIN (эквивалентный коллектору).Напряжение, приложенное между клеммой истока и клеммой GATE (эквивалентно основанию), используется для управления током исток – сток. Основное различие между JFET и биполярным транзистором состоит в том, что в JFET ток затвора не протекает, ток через устройство контролируется электрическим полем, следовательно, «полевой транзистор». Конструкция и условные обозначения JFET показаны на рисунках 1, 2 и 3.
JFET Строительство
Построение JFET теоретически может быть довольно простым, но в действительности сложным, требующим очень чистых материалов и техники чистых помещений.JFET изготавливаются в различных формах, некоторые из которых выполнены в виде дискретных (единичных) компонентов, а другие – с использованием плоских технологий в качестве интегральных схем.
Рис.1.1 Диффузионная конструкция JFET
Рис. 1.1 показывает (теоретически) простейшую форму конструкции для соединения FET (JFET) с использованием методов диффузии. Он использует небольшую пластинку из полупроводника N-типа, в которую вставлены две области Р-типа, чтобы образовать затвор. Ток в форме электронов течет через устройство от источника к стоку по кремниевому каналу N-типа.Поскольку в JFET N-канала ток переносится только одним типом носителей заряда (электронов), эти транзисторы также называют «однополюсными» устройствами.
Смотреть это работает с интерактивной диаграммой
Рис. 1.2 Планетарная конструкция JFET
На рис. 1.2 показано поперечное сечение плоского полевого транзистора (JFET) с N-канальным током. Ток нагрузки протекает через устройство от источника к стоку по каналу, изготовленному из кремния N-типа. В плоском устройстве вторая часть затвора образована подложкой P-типа.
Также доступны JFETP-канала, и принцип действия такой же, как у описанного здесь типа N-канала, но полярности напряжений, конечно, меняются местами, а носители заряда являются дырками.
Рис. 1.3 Символы цепи JFET
Обновлено 14 июля 2010 г.
Начало страницы Далее
,Полевой транзистор
Мощный N-канальный полевой транзисторПолевой транзистор (FET) представляет собой транзистор, который использует электрическое поле для управления формой и, следовательно, проводимостью канала одного типа носителей заряда в полупроводниковом материале. Полевые транзисторы иногда называют униполярными транзисторами , чтобы противопоставить их работу с одной несущей с работой с двумя несущими как биполярные (переходные) транзисторы (BJT). Концепция полевого транзистора предшествует BJT, хотя она не была физически реализована до после BJT из-за ограничений полупроводниковых материалов и относительной простоты изготовления BJT по сравнению с полевыми транзисторами в то время.
История
Основная статья: История транзистораПринцип полевых транзисторов был впервые запатентован Юлиусом Эдгаром Лилиенфельдом в 1925 году и Оскаром Хейлом в 1934 году, но практические полупроводниковые устройства (JFET, полевой транзистор с распределительными затворами) были разработаны только намного позже после эффекта транзистора. наблюдался и объяснялся командой Уильяма Шокли в Bell Labs в 1947 году. MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник), который в значительной степени заменил JFET и оказал более глубокое влияние на развитие электроники, был впервые предложен Dawon Канг в 1960 году. [1]
Основная информация
FET являются устройствами, несущими большую часть заряда. Устройство состоит из активного канала, через который основные носители заряда, электроны или дырки, протекают от истока к стоку. Клеммы проводника истока и стока соединены с полупроводником через омические контакты. Проводимость канала является функцией потенциала, приложенного к затвору. [2] [3]
Три терминала FET: [4]
- Источник (S), через который большинство каналов входят в канал.Обычный ток, поступающий в канал в S, обозначен I S .
- Слив (D), через который большинство перевозчиков покидают канал. Обычный ток, поступающий в канал в точке D, обозначается как I D . Напряжение стока до источника V DS .
- Gate (G), терминал, который модулирует проводимость канала. Подавая напряжение на G, можно управлять I D .
Подробнее о терминалах
Поперечное сечение MOSFET n-типаВсе полевые транзисторы имеют затвор , сток и исходных терминалов, которые примерно соответствуют базе , коллектор и эмиттер BJT.Большинство полевых транзисторов также имеют четвертый терминал, называемый корпус , основание , основную часть или подложку . Этот четвертый вывод служит для смещения транзистора в работу; редко используется нетривиальное использование клеммы корпуса в схемотехнических конструкциях, но его наличие важно при настройке физической схемы интегральной схемы. Размер затвора, длина L на схеме, является расстоянием между истоком и стоком. Ширина является продолжением транзистора на схеме, перпендикулярной поперечному сечению.Как правило, ширина намного больше, чем длина ворот. Длина затвора 1 мкм ограничивает верхнюю частоту примерно до 5 ГГц, от 0,2 мкм до примерно 30 ГГц. Кроме того, полевые транзисторы менее используются, чем биполярные транзисторы.
Названия терминалов относятся к их функциям. Терминал ворот может рассматриваться как управляющий открытием и закрытием физических ворот. Этот затвор позволяет электронам проходить через них или блокировать их прохождение, создавая или устраняя канал между истоком и стоком.Электроны текут от клеммы истока к клемме стока, если на них воздействует приложенное напряжение. Тело просто относится к большей части полупроводника, в котором находятся затвор, исток и сток. Обычно клемма корпуса подключается к максимальному или минимальному напряжению в цепи, в зависимости от типа. Клемма корпуса и клемма источника иногда соединяются вместе, поскольку источник также иногда подключается к максимальному или минимальному напряжению в цепи, однако существует несколько вариантов использования полевых транзисторов, которые не имеют такой конфигурации, таких как затворы передачи и схемы каскадного кода. ,
FET операция
ВАХ и выходной график n-канального транзистора JFET.FET контролирует поток электронов (или электронных дырок) от источника к стоку, влияя на размер и форму «проводящего канала», созданного и находящегося под влиянием напряжения (или отсутствия напряжения), приложенного к клеммам затвора и источника (для простота обсуждения, это предполагает, что тело и источник связаны). Этот проводящий канал является «потоком», через который электроны текут от источника к стоку.
В n-канальном устройстве с режимом истощения отрицательное напряжение затвор-источник вызывает расширение области истощения по ширине и вторжение в канал с боков, сужая канал. Если область истощения расширяется, чтобы полностью закрыть канал, сопротивление канала от истока до стока становится большим, и FET эффективно отключается как переключатель. Аналогично, положительное напряжение затвор-источник увеличивает размер канала и позволяет электронам легко течь.
И наоборот, в n-канальном устройстве с улучшенным режимом положительное напряжение затвора к источнику необходимо для создания проводящего канала, поскольку он не существует естественным образом внутри транзистора. Положительное напряжение притягивает свободно плавающие электроны внутри тела к затвору, образуя проводящий канал. Но сначала, достаточно электронов должно быть привлечено около ворот, чтобы противостоять ионам легирующей примеси, добавленным в тело полевого транзистора; это формирует область, свободную от мобильных операторов, называемую областью истощения, и это явление называется пороговым напряжением полевого транзистора.Дальнейшее увеличение напряжения затвора к истоку привлечет еще больше электронов к затвору, которые способны создать проводящий канал от истока к стоку; этот процесс называется , инверсия .
Для устройств в режиме улучшения или в режиме истощения при напряжениях сток-исток, намного меньших, чем напряжения затвор-исток, изменение напряжения затвора изменит сопротивление канала, а ток стока будет пропорционален напряжению стока (относительно источник напряжения). В этом режиме полевой транзистор работает как переменный резистор, и говорят, что полевой транзистор работает в линейном режиме , или омическом режиме , . [5] [6]
Если напряжение сток-исток увеличивается, это создает значительное асимметричное изменение формы канала из-за градиента потенциала напряжения от источника к стоку. Форма области инверсии становится «защемленной» рядом со сливным концом канала. Если напряжение стока к источнику увеличивается еще больше, точка отрыва канала начинает двигаться от стока к источнику. Говорят, что FET находится в режиме насыщения ; [7] некоторые авторы называют его активным режимом для лучшей аналогии с рабочими областями биполярного транзистора. [8] [9] Режим насыщения, или область между омическим и насыщенным, используется, когда необходимо усиление. Промежуточная область иногда считается частью омической или линейной области, даже если ток стока не приблизительно линейен с напряжением стока.
Даже если проводящий канал, образованный напряжением затвор-исток, больше не соединяет исток с стоком в режиме насыщения, носители не блокируются от течения. Рассматривая снова n-канальное устройство, область истощения существует в теле p-типа, окружая проводящий канал и области стока и истока.Электроны, составляющие канал, могут свободно выходить из канала через область истощения, если они притягиваются к стоку напряжением сток-исток. Область обеднения свободна от носителей и имеет сопротивление, подобное кремнию. Любое увеличение напряжения сток-исток приведет к увеличению расстояния от стока до точки защемления, увеличив сопротивление из-за области истощения пропорционально приложенному напряжению сток-исток. Это пропорциональное изменение приводит к тому, что ток сток-исток остается относительно постоянным независимо от изменений напряжения сток-исток и совершенно не похож на работу в линейном режиме.Таким образом, в режиме насыщения полевой транзистор работает как источник постоянного тока, а не как резистор и может наиболее эффективно использоваться в качестве усилителя напряжения. В этом случае напряжение затвор-источник определяет уровень постоянного тока через канал.
Композиция
Полевой транзистор может быть изготовлен из ряда полупроводников, причем кремний является наиболее распространенным. Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных методов обработки объемных полупроводников с использованием монокристаллической полупроводниковой пластины в качестве активной области или канала.
Среди более необычных материалов корпуса – аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники в тонкопленочных транзисторах или транзисторах с эффектом органического поля, которые основаны на органических полупроводниках и часто используют органические изоляторы затвора и электрод. Полевые транзисторы изготавливаются с использованием различных материалов, таких как карбид кремния (Sic), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), арсенид индия-галлия (InGaAs). В июне 2011 года IBM объявила об успешном использовании полевых транзисторов на основе графена в интегральной схеме. [10] [11] Эти транзисторы имеют частоту среза 100 ГГц, намного превышающую стандартные кремниевые полевые транзисторы [12] .
Типы полевых транзисторов
Полевые транзисторы обедненного типа при типичных напряжениях. JFET, поликремниевый MOSFET, MOSFET с двумя воротами, MOSFET с металлическими воротами, MESFET. истощение, электроны, дырки, металл, изолятор. Сверху = источник, снизу = сток, слева = ворота, справа = навалом. Напряжения, которые приводят к формированию канала, не показаныКанал полевого транзистора легирован для получения полупроводника N-типа или полупроводника P-типа.Сток и исток могут быть легированы противоположного типа к каналу, в случае полевых транзисторов режима истощения, или легированы того же типа, что и канал, как в полевых транзисторах режима улучшения. Полевые транзисторы также различаются по способу изоляции между каналом и затвором. Типы FET:
- CNTFET (полевой транзистор с углеродными нанотрубками)
- DEPFET представляет собой полевой транзистор, сформированный в полностью истощенной подложке, и одновременно выполняет функции датчика, усилителя и узла памяти.Может использоваться в качестве датчика изображения (фотона).
- DGMOSFET – это MOSFET с двойными воротами.
- DNAFET – это специализированный полевой транзистор, который действует как биосенсор, используя затвор, состоящий из однонитевых молекул ДНК, для обнаружения совпадающих нитей ДНК.
- FREDFET (эпитаксиальный диод FET с быстрым реверсом или быстрым восстановлением) – это специализированный FET, разработанный для обеспечения очень быстрого восстановления (выключения) диода корпуса.
- HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов), также называемый HFET (гетероструктурный FET), может быть изготовлен с использованием запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs.Полностью истощенный широкозонный материал образует изоляцию между воротами и корпусом.
- IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) представляет собой устройство для управления мощностью. Он имеет структуру, похожую на полевой МОП-транзистор, соединенный с биполярно-подобным основным каналом проводимости. Они обычно используются для диапазона рабочих напряжений от 200 до 3000 В. Силовые полевые МОП-транзисторы по-прежнему являются предпочтительным устройством для напряжений сток-исток от 1 до 200 В.
- ISFET (ионно-чувствительный полевой транзистор), используемый для измерения концентрации ионов в растворе; Когда концентрация ионов (например, H + , см. pH-электрод) изменяется, ток через транзистор изменится соответственно.
- JFET (полевой транзистор перехода) использует p-n-переход с обратным смещением для отделения затвора от корпуса.
- MESFET (полевой транзистор металл – полупроводник) заменяет p-n-переход JFET барьером Шоттки; используется в GaAs и других полупроводниковых материалах III-V.
- MODFET (полевой транзистор с модуляционным легированием) использует структуру с квантовыми ямами, образованную постепенным легированием активной области.
- МОП-транзистор (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) использует изолятор (обычно SiO 2 ) между затвором и корпусом.
На подложке p-типа имеются два островка n-типа. Между этими двумя n областями есть n-канал. Две n-области образуют исходный и сливной терминалы. Терминал затвора находится на изолированном слое SiO2. Существует проводимость без напряжения на затворе.
D MOSFET< [13] >
Аналогично типу истощения, но без n-канала.Следовательно, для проводимости требуется некоторое положительное напряжение на затворе, которое притягивает электроны из p-области, которая проводит от источника к стоку.
E MOSFET< [14] > [15]
- NOMFET – полевой транзистор с органической памятью из наночастиц. [1]
- OFET – это органический полевой транзистор, использующий в своем канале органический полупроводник.
- GNRFET – это полевой транзистор, который использует графеновую наноленту для своего канала.
- VeSFET (полевой транзистор с вертикальной щелью) представляет собой полевой транзистор без квадратного соединения с узкой щелью, соединяющей исток и сток в противоположных углах. Два затвора занимают другие углы и контролируют ток через щель. [2] [3]
Преимущества FET
Основным преимуществом полевого транзистора является его высокое входное сопротивление, порядка 100 мОм или более. Таким образом, это устройство, управляемое напряжением, и демонстрирует высокую степень изоляции между входом и выходом.Это однополярное устройство, зависящее только от тока большинства. Он менее шумный и поэтому используется в FM-тюнерах для тихого приема. Он относительно невосприимчив к радиации. Он не проявляет напряжения смещения при нулевом токе утечки и, следовательно, является отличным прерывателем сигнала. Как правило, он имеет лучшую термическую стабильность, чем BJT. [4]
Недостатки FET
Имеет продукт с относительно низкой пропускной способностью по сравнению с BJT. Недостаток MOSFET в том, что он очень восприимчив к перегрузочным напряжениям, поэтому требует особого обращения во время установки. [16]
Использует
IGBT применяют для переключения катушек зажигания двигателя внутреннего сгорания, где важны возможности быстрого переключения и блокировки напряжения.
Наиболее часто используемый FET – это MOSFET. Технологическая технология CMOS (дополнительный металлооксидный полупроводник) является основой для современных цифровых интегральных схем. Эта технология процесса использует схему, в которой p-канальный MOSFET (обычно “в режиме улучшения”) и n-канальный MOSFET соединены последовательно, так что когда один включен, другой выключен.
Хрупкий изолирующий слой полевого МОП-транзистора между затвором и каналом делает его уязвимым для электростатического повреждения во время обработки. Обычно это не проблема после того, как устройство было установлено в правильно спроектированной схеме.
В полевых транзисторах электроны могут течь в любом направлении через канал, когда работают в линейном режиме, и соглашение об именовании выводов стока и выводов истоков несколько произвольно, поскольку устройства обычно (но не всегда) строятся симметрично от источника к стоку.Это делает FET подходящими для переключения аналоговых сигналов между трактами (мультиплексирование). С помощью этой концепции, например, можно создать твердотельную микшерную плату.
Обычное использование FET в качестве усилителя. Например, из-за его большого входного сопротивления и низкого выходного сопротивления, он эффективен в качестве буфера в конфигурации с общим стоком (исток-повторитель).
См. Также
Рекомендации
Внешние ссылки
,От труб к транзисторам
От UNIVAC до новейших настольных ПК, эволюция компьютеров развивалась очень быстро. Компьютеры первого поколения были известны использованием вакуумных трубок в их конструкции. Следующее поколение будет использовать гораздо меньший и более эффективный транзистор.
From Tubes …
Любой современный цифровой компьютер – это, в основном, коллекция электронных коммутаторов.Эти коммутаторы используются для представления и управления маршрутизацией элементов данных, называемых двоичных цифр (или битов) . Из-за включенной или выключенной природы двоичной информации и маршрутизации сигналов, используемых компьютером, потребовался эффективный электронный коммутатор. Первые электронные компьютеры использовали вакуумные трубки в качестве переключателей, и хотя трубки работали, у них было много проблем.
Три основных компонента базовой триодной вакуумной трубки.Тип трубки, использовавшийся в ранних компьютерах, назывался триодом и был изобретен Ли Де Форестом в 1906 году.Он состоит из катода и пластины, разделенных контрольной решеткой, подвешенной в стеклянной вакуумной трубке. Катод нагревается раскаленной электрической нитью, которая заставляет его испускать электроны, которые притягиваются к пластине. Сетка управления в середине может контролировать этот поток электронов. Делая это отрицательным, вы заставляете электроны отталкиваться обратно к катоду; делая его положительным, вы заставляете их притягиваться к тарелке. Таким образом, управляя током сетки, вы можете контролировать включение / выключение выхода пластины.
К сожалению, трубка была неэффективна в качестве переключателя. Он потреблял много электроэнергии и выделял огромное тепло – значительная проблема в более ранних системах. Главным образом из-за тепла, которое они генерировали, трубки были общеизвестно ненадежными – в больших системах одна выходила из строя каждые пару часов или около того.
… К транзисторам
Изобретение транзистора стало одним из важнейших достижений, приведших к революции в области персональных компьютеров.Транзистор был изобретен в 1947 году и анонсирован в 1948 году инженерами Bell Laboratory Джоном Бардином и Уолтером Браттейном. Помощник Белла Уильям Шокли изобрел соединительный транзистор несколько месяцев спустя, и все трое совместно разделили Нобелевскую премию по физике в 1956 году за изобретение транзистора. Транзистор, который по существу функционирует как твердотельный электронный переключатель, заменил менее подходящую вакуумную трубку. Поскольку транзистор был намного меньше и потреблял значительно меньше энергии, компьютерная система, построенная на транзисторах, также была намного меньше, быстрее и эффективнее, чем компьютерная система, построенная на вакуумных лампах.
Преобразование ламп в транзисторы положило начало миниатюризации, которая продолжается и по сей день. Сегодняшние небольшие ноутбуки (или нетбуки, если хотите) и даже системы планшетных ПК, которые работают от батарей, имеют большую вычислительную мощность, чем многие более ранние системы, которые заполняли помещения и потребляли огромное количество электроэнергии.
Несмотря на то, что в течение многих лет было разработано много транзисторов, транзисторы, используемые в современных компьютерах, обычно представляют собой полевые транзисторы на основе металлооксидных полупроводниковых приборов (MOSFET).МОП-транзисторы изготовлены из слоев материалов, нанесенных на кремниевую подложку. Некоторые из слоев содержат кремний с некоторыми примесями, добавляемыми в процессе, называемом легированием или ионной бомбардировкой, тогда как другие слои включают диоксид кремния (который действует как изолятор), поликремний (который действует как электрод) и металл, который действует как провода для подключите транзистор к другим компонентам. Состав и расположение различных типов легированного кремния позволяют им действовать как проводник или изолятор, поэтому кремний называют полупроводником.
MOSFET могут быть сконструированы как NMOS или PMOS , в зависимости от расположения используемого легированного кремния. Кремний, легированный бором, называется P-типом (положительный), потому что в нем отсутствуют электроны, тогда как кремний, легированный фосфором, называется N-типом (отрицательный), потому что он имеет избыток свободных электронов.
МОП-транзисторы имеют три соединения, которые называются исток, затвор и сток. Транзистор NMOS сделан с использованием кремния N-типа для истока и стока, с кремнием P-типа, помещенным между ними.Затвор расположен над кремнием P-типа, отделяя исток и сток, и отделен от кремния P-типа изолирующим слоем диоксида кремния. Обычно между кремнием N-типа и P-типа ток не протекает, что препятствует потоку электронов между истоком и стоком. Когда на затвор подается положительное напряжение, электрод затвора создает поле, которое притягивает электроны к кремнию P-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет эту область так, как если бы она была кремнием N-типа, создавая путь для протекания тока и включая транзистор.”
Вид в разрезе NMOS-транзистора.Транзистор PMOS работает аналогичным, но противоположным образом. Кремний P-типа используется для истока и стока, между ними расположен кремний N-типа. Когда на затвор подается отрицательное напряжение, электрод затвора создает поле, которое отталкивает электроны от кремния N-типа между истоком и стоком. Это, в свою очередь, изменяет эту область так, как если бы она была кремнием P-типа, создавая путь для протекания тока и включая транзистор.”
Когда полевые транзисторы NMOS и PMOS объединены в дополнительной компоновке, питание используется только тогда, когда транзисторы переключаются, что делает возможным создание плотных схем с низким энергопотреблением. Из-за этого практически все современные процессоры разработаны с использованием технологии CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor).
По сравнению с трубкой, транзистор гораздо более эффективен в качестве переключателя и может быть миниатюрным до микроскопического масштаба. С тех пор, как был изобретен транзистор, инженеры стремились сделать его все меньше и меньше.В 2003 году исследователи NEC представили кремниевый транзистор размером всего 5 нанометров (миллиардных долей метра). Другие технологии, такие как графен и углеродные нанотрубки , исследуются для производства еще меньших транзисторов, вплоть до молекулярного или даже атомного масштаба. В 2008 году британские исследователи представили основанный на графене транзистор толщиной всего 1 атом и шириной 10 атомов (1 нм), а в 2010 году исследователи IBM создали транзисторы графена, переключающиеся со скоростью 100 гигагерц, тем самым прокладывая путь к будущим более плотным чипам и быстрее, чем это возможно при использовании кремниевых конструкций.
Интегральные схемы: следующее поколение
Третье поколение современных компьютеров известно использованием интегральных схем вместо отдельных транзисторов. Джеку Килби из Texas Instruments и Роберту Нойсу из Fairchild приписывают то, что они изобрели интегральную схему (IC) в 1958 и 1959 годах. IC – это полупроводниковая схема , которая содержит более одного компонента на одной базе (или материал подложки) , которые обычно взаимосвязаны без проводов.Первый прототип ИС, построенный Килби в ТИ в 1958 году, содержал только один транзистор, несколько резисторов и конденсатор на одной пластинке германия, и он имел золотые «летающие провода» для их соединения. Однако, поскольку летучие провода должны были быть прикреплены индивидуально, этот тип конструкции был непрактичным в изготовлении. Для сравнения, в 1959 году компания Noyce запатентовала «плоскую» конструкцию ИС, в которой все компоненты рассеяны или вытравлены на кремниевой основе, включая слой межсоединений из алюминия и металла.В 1960 году Fairchild построил первую плоскую микросхему , состоящую из триггера с четырьмя транзисторами и пятью резисторами на круглой головке размером всего около 20 мм. Для сравнения, четырехъядерный процессор Intel Core i7 включает в себя 731 миллион транзисторов (и множество других компонентов) на одном кристалле размером 263 мм 2 !
,Больше новостей
