Работа транзистора в режиме ключа – схема, принцип работы и особенности :: SYL.ru

схема, принцип работы и особенности :: SYL.ru

Микроконтроллерами можно производить управление мощными устройствами – лампами накаливания, нагревательными ТЭНами, даже электроприводами. Для этого используются транзисторные ключи – устройства для коммутации цепи. Это универсальные приборы, которые можно применить буквально в любой сфере деятельности – как в быту, так и в автомобильной технике.

Что такое электронный ключ?

Ключ – это, если упростить, обыкновенный выключатель. С его помощью замыкается и размыкается электрическая цепь. У биполярного транзистора имеется три вывода:

1. Коллектор.
2. Эмиттер.
3. База.

На биполярных полупроводниках строятся электронные ключи – конструкция простая, не требует наличия большого количества элементов. При помощи переключателя осуществляется замыкание и размыкание участка цепи. Происходит это с помощью сигнала управления (который вырабатывает микроконтроллер), подаваемого на базу транзистора.

Коммутация нагрузки

Простыми схемами на транзисторных ключах можно производить коммутацию токов в интервале 0,15… 14 А, напряжений 50… 500 В. Все зависит от конкретного типа транзистора. Ключ может производить коммутацию нагрузки 5-7 кВт при помощи управляющего сигнала, мощность которого не превышает сотни милливатт.

Можно применять вместо транзисторных ключей простые электромагнитные реле. У них имеется достоинство – при работе не происходит нагрев. Но вот частота циклов включения и отключения ограничена, поэтому использовать в инверторах или импульсных блоках питания для создания синусоиды их нельзя. Но в общем принцип действия ключа на полупроводниковом транзисторе и электромагнитного реле одинаков.

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Выводы электромагнитного реле

Обычно в электромагнитных реле имеется 5 выводов:

1. Два контакта, предназначенных для управления. К ним подключается обмотка возбуждения.
2. Три контакта, предназначенных для коммутации. Один общий контакт, который нормально замкнут и нормально разомкнут с остальными.

В зависимости от того, какая схема коммутации применяется, используются группы контактов. Полевой транзисторный ключ имеет 3-4 контакта, но функционирование происходит таким же примерно образом.

Как работает электромагнитное реле

Принцип работы электромагнитного реле довольно простой:

1. Обмотка через кнопку соединяется с питанием.
2. В разрыв цепи питания потребителя включаются силовые контакты реле.
3. При нажатии на кнопку подается питание на обмотку, происходит притягивание пластины и замыкание группы контактов.
4. Подается ток на потребителя.

Примерно по такой же схеме транзисторные ключи работают – нет только группы контактов. Их функции выполняет кристалл полупроводника.

Проводимость транзисторов

Один из режимов работы транзистора – ключевой. По сути, он выполняет функции выключателя. Затрагивать схемы усилительных каскадов нет смысла, они не относятся к этому режиму работы. Полупроводниковые триоды применяются во всех типах устройств – в автомобильной технике, в быту, в промышленности. Все биполярные транзисторы могут иметь такой тип проводимости:

1. P-N-P.
2. N-P-N.

К первому типу относятся полупроводники, изготовленные на основе германия. Эти элементы получили широкое распространение более полувека назад. Чуть позже в качестве активного элемента начали использовать кремний, у которого проводимость обратная – n-p-n.

Принцип работы у приборов одинаков, отличаются они только лишь полярностью питающего напряжения, а также отдельными параметрами. Популярность у кремниевых полупроводников на данный момент выше, они почти полностью вытеснили германиевые. И большая часть устройств, включая транзисторные ключи, изготавливаются на биполярных кремниевых элементах с проводимостью n-p-n.

Транзистор в режиме ключа

Транзистор в режиме ключа выполняет те же функции, что и электромагнитное реле или выключатель. Ток управления протекает следующим образом:

1. От микроконтроллера через переход “база – эмиттер”.
2. При этом канал “коллектор – эмиттер” открывается.
3. Через канал “коллектор – эмиттер” можно пропустить ток, величина которого в сотни раз больше, нежели базового.

Особенность транзисторных переключателей в том, что частота коммутации намного выше, нежели у реле. Кристалл полупроводника способен за одну секунду совершить тысячи переходов из открытого состояния в закрытое и обратно. Так, скорость переключения у самых простых биполярных транзисторов – около 1 млн раз в секунду. По этой причине транзисторы используют в инверторах для создания синусоиды.

Принцип работы транзистора

Элемент работает точно так же, как и в режиме усилителя мощности. По сути, к входу подается небольшой ток управления, который усиливается в несколько сотен раз за счет того, что изменяется сопротивление между эмиттером и коллектором. Причем это сопротивление зависит от величины тока, протекающего между эмиттером и базой.

В зависимости от типа транзистора меняется цоколевка. Поэтому, если вам нужно определить выводы элемента, нужно обратиться к справочнику или даташиту. Если нет возможности обратиться к литературе, можно воспользоваться справочниками для определения выводов. Еще есть особенность у транзисторов – они могут не полностью открываться. Реле, например, могут находиться в двух состояниях – замкнутом и разомкнутом. А вот у транзистора сопротивление канала “эмиттер – коллектор” может меняться в больших пределах.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу “эмиттер – коллектор”, выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h_21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе “коллектор – эмиттер” он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход “коллектор – эмиттер” открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Режим насыщения

У всех транзисторов имеется определенный порог входного значения тока. Как только произойдет достижение этого значения, коэффициент усиления перестает играть большую роль. При этом выходной ток не изменяется вообще. Напряжение на контактах “база – эмиттер” может быть выше, нежели между коллектором и эмиттером. Это состояние насыщения, транзистор открывается полностью. Режим ключа говорит о том, что транзистор работает в двух режимах – либо он полностью открыт, либо же закрыт. Когда полностью перекрывается подача тока управления, транзистор закрывается и перестает пропускать ток.

Практические конструкции

Практических схем использования транзисторов в режиме ключа очень много. Нередко их используют для включения и отключения светодиодов с целью создания спецэффектов. Принцип работы транзисторных ключей позволяет не только делать «игрушки», но и реализовывать сложные схемы управления. Но обязательно в конструкциях необходимо использовать резисторы для ограничения тока (они устанавливаются между источником управляющего сигнала и базой транзистора). А вот источником сигнала может быть что угодно – датчик, кнопочный выключатель, микроконтроллер и т. д.

Работа с микроконтроллерами

При расчете транзисторного ключа нужно учитывать все особенности работы элемента. Для того чтобы работала система управления на микроконтроллере, используются усилительные каскады на транзисторах. Проблема в том, что выходной сигнал у контроллера очень слабый, его не хватит для того, чтобы включить питание на обмотку электромагнитного реле (или же открыть переход очень мощного силового ключа). Лучше применить биполярный транзисторный ключ, которым произвести управление MOSFET-элементом.

Применяются несложные конструкции, состоящие из таких элементов:

1. Биполярный транзистор.
2. Резистор для ограничения входного тока.
3. Полупроводниковый диод.
4. Электромагнитное реле.
5. Источник питания 12 вольт.

Диод устанавливается параллельно обмотке реле, он необходим для того, чтобы предотвратить пробой транзистора импульсом с высоким ЭДС, который появляется в момент отключения обмотки.

Сигнал управления вырабатывается микроконтроллером, поступает на базу транзистора и усиливается. При этом происходит подача питания на обмотку электромагнитного реле – канал “коллектор – эмиттер” открывается. При замыкании силовых контактов происходит включение нагрузки. Управление транзисторным ключом происходит в полностью автоматическом режиме – участие человека практически не требуется. Главное – правильно запрограммировать микроконтроллер и подключить к нему датчики, кнопки, исполнительные устройства.

Использование транзисторов в конструкциях

Нужно изучать все требования к полупроводникам, которые собираетесь использовать в конструкции. Если планируете проводить управление обмоткой электромагнитного реле, то нужно обращать внимание на его мощность. Если она высокая, то использовать миниатюрные транзисторы типа КТ315 вряд ли получится: они не смогут обеспечить ток, необходимый для питания обмотки. Поэтому рекомендуется в силовой технике применять мощные полевые транзисторы или сборки. Ток на входе у них очень маленький, зато коэффициент усиления большой.

Не стоит применять для коммутации слабых нагрузок мощные реле: это неразумно. Обязательно используйте качественные источники питания, старайтесь напряжение выбирать таким, чтобы реле работало в нормальном режиме. Если напряжение окажется слишком низким, то контакты не притянутся и не произойдет включение: величина магнитного поля окажется маленькой. Но если применить источник с большим напряжением, обмотка начнет греться, а может и вовсе выйти из строя.

Обязательно используйте в качестве буферов транзисторы малой и средней мощности при работе с микроконтроллерами, если необходимо включать мощные нагрузки. В качестве силовых устройств лучше применять MOSFET-элементы. Схема подключения к микроконтроллеру такая же, как и у биполярного элемента, но имеются небольшие отличия. Работа транзисторного ключа с использованием MOSFET-транзисторов происходит так же, как и на биполярных: сопротивление перехода может изменяться плавно, переводя элемент из открытого состояния в закрытое и обратно.

www.syl.ru

Транзисторные ключи. Биполярный транзистор. Работа в режиме ключа.

Транзисторный ключ являются основным компонентом в импульсной преобразовательной технике. В схемах всех импульсных источников питания, которые практически полностью вытеснили трансформаторные источники питания, применяются транзисторные ключи. Примером таких источников питания являются компьютерные блоки питания, зарядные устройства телефонов, ноутбуков, планшетов и т. п. Транзисторные ключи пришли на смену электромагнитных реле, поскольку обладают таким основным преимуществом как отсутствие механических подвижных частей в результате чего увеличивается надежность и долговечность ключа. Кроме того скорость включения и выключения электронных полупроводниковых ключей значительно выше скорости электромагнитных реле.

Также транзисторный ключ часто используется для включения-выключения (коммутации) нагрузки значительной мощности по сигналу микроконтроллера.

Суть электронного ключа заключается в управлении им большой мощностью по сигналу малой мощности.

Существуют полупроводниковые ключи на базе транзисторов, тиристоров, симисторов. Однако в данной статье рассмотрена работа электронного ключа на биполярном транзисторе. В последующих статьях будут рассмотрены и другие типы полупроводниковых ключей.

В зависимости от полупроводниковой структуры биполярные транзисторы разделяют на два вида: p — n — p и n — p — n типа (рис. 1 ).

Рис. 1 – Структуры биполярных транзисторов

В схемах биполярные транзисторы обозначаются, как показано на рис. 2 . Средний вывод называется базой, вывод со “стрелочкой” – эмиттер, оставшийся вывод – коллектор.

Рис. 2 – Обозначение транзисторов в схемах

Также транзисторы условно можно изобразить в виде двух диодов, которые включены встречно, место соединения их всегда будет базой (

рис.3 ).

Рис. 3 – Схемы замещения транзисторов диодами

Транзисторный ключ. Схемы включения.

Схемы включения транзисторов разных полупроводниковых структур показаны на рис. 4 . Переход между базой и эмиттером называется эмиттерный переход, а переход между базой и коллектором – коллекторный переход. Для включения (открытия) транзистора необходимо чтобы коллекторный переход был смещен в обратном направлении, а эмиттер – в прямом.

Рис. 4 – Транзисторный ключ. Схемы включения

Напряжение источника питания U ип прикладывается к выводам коллектора и эмиттера U кэ через нагрузочный резистор R к (см.

рис. 4 ). Напряжение управления (управляющий сигнал) подается между базой и эмиттером U бэ через токоограничивающий резистор R б .

Когда транзистор работает в ключевом режиме он может находиться в двух состояниях. Первое – это режим отсечки. В это режиме транзистор полностью закрыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно напряжению источника питания. Второе состояние – это режим насыщения. В этом режиме транзистор полностью открыт, а напряжение между коллектором и эмиттером равно падению напряжения на p — n – переходах и для различных транзисторов находится в пределах от сотых до десятых вольта.

На нагрузочной прямой входной статической характеристики транзистора (рис. 5 ) область насыщения находится на отрезке 1-2 , а область отсечки на отрезке 3-4 . Промежуточная область между этими отрезками – область

2-3 называется активной областью. Ею руководствуются когда транзистор работает в режиме усилителя.

Рис. 5 – Входная статическая характеристика транзистора

Для того, чтобы проще запомнить полярность подключения источника питания и напряжения сигнала управления следует обратить внимание на стрелку эмиттера. Она указывает направление протекания тока (рис.6 ).

Рис. 6 – Путь протекания тока через транзисторный ключ

Расчет параметров транзисторного ключа

Для примера работы ключа в качестве нагрузки будем использовать светодиод. Схема его подключения показана на рис. 7 . Обратите внимание на полярность подключения источников питания и светодиода в транзисторах разных полупроводниковых структур.

Рис. 7 – Схемы подключения светодиода к транзисторным ключам

Рассчитаем основные параметры транзисторного ключа, выполненного на транзисторе n — p — n типа. Пусть имеем следующие исходные данные:

— падение напряжения на светодиоде Δ U VD = 2 В ;

— номинальный ток светодиода I VD = 10 мА ;

— напряжение источника питания U ип (на схеме обозначено Uкэ) = 9 В ;

— напряжение входного сигнала U вс = 1,6 В .

Теперь взглянем еще раз на схему, показанную на рис. 7 . Как мы видим, осталось определить сопротивления резисторов в цепи базы и коллектора. Транзистор можно выбрать любой биполярный соответствующей полупроводниковой структуры. Возьмем для примера советский транзистор

n — p — n типа МП111Б .

Расчет сопротивления в цепи коллектора транзистора

Сопротивление в цепи коллектора предназначено для ограничения тока, который протекает через светодиод VD , а также для защиты от перегрузки самого транзистора. Поскольку, когда транзистор откроется, ток в его цепи будет ограничиваться только сопротивлением светодиода VD и резист

electrmaster.ru

Транзисторные ключи. Схема, принцип работы

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или биполярных транзисторов. Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р–n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Этот параметр зависит от максимальной допустимой частоты, когда может осуществляться переключение сигналов. Это в свою очередь зависит от длительности переходного процесса, что определяется инерционностью транзистора, а также влиянием паразитных параметров. Для характеристики быстродействия логического элемента часто указывают среднее время, которое происходит при задержке сигнала, при его передаче в транзисторный ключ. Схема, отображающая его, обычно именно такой усреднённый диапазон отклика и показывает.

Взаимодействие с другими ключами

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах аналоговых сигналов. Поэтому в них применяются специальные полевые транзисторы, где есть управляющий р–n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
2. Высокое сопротивление и, как результат – малый ток, что протекает по закрытому элементу.
3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле – вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки – и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое – превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер – 45 В. Общая рассеиваемая мощность – 500 mw. Коллектор-эмиттер – 0,2 В. Граничная частота работы – 100 мГц. База-эмиттер – 0,9 В. Коллекторный ток – 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока – 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 – 0,9 = 4,1В.

7) Определяем сопротивление резистора базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название “электронные ключи”. Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом – дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

fb.ru

Инвертор на транзисторе | Практическая электроника

Инвертор на транзисторе – прародитель цифровых микросхем. Именно в те далекие времена, благодаря транзистору, цифровая электроника стала развиваться быстрыми темпами.

Схема инвертора на простом ключе

Рассмотрим вот такую простенькую схемку:

Что мы здесь видим? Видим ключ, резистор и источник питания. Резистор R мы повесили для того, чтобы не было короткого замыкания в источнике питания, когда замыкается ключ S. На клемму +U мы подаем плюс питания, а на землю, соответственно, минус. В схеме возможны два варианта развития событий: ключ замкнут и ключ разомкнут. Давайте рассмотрим каждый из этих двух вариантов:

1) Ключ замкнут

В результате в цепи +U——-> R——-> S ——-> земля побежит электрический ток.

Будет ли в этом случае напряжение между клеммой “А” и землей?

Чешем свою репу и думаем… Так как ключ у нас замкнут, следовательно, в идеале его сопротивление 0 Ом. Вспоминаем закон Ома для участка цепи: I=U/R, отсюда U=IR. Получается, что падение напряжения на сопротивлении 0 Ом будет равно U=IR= I х 0 = 0 Вольт. Значит, напряжение между землей и клеммой “А” будет 0 Вольт. Получается, что напряжения на клемме “А” не будет.

2) Ключ разомкнут

Что  в результате у нас будет на клемме “А”? Давайте также посчитаем по закону Ома. Мы знаем, что электрический ток бежит от плюса к минусу. Но так как у нас минус вообще не при делах, так как цепь разорвана ключом, следовательно,  сила тока  в цепи +U——->R——->клемма “А” будет равняться 0 Ампер. Значит, падение напряжения на резисторе R будет равняться U=IR=0 х R = 0 Вольт. Получается, что все полноценные +U Вольт доходят до клеммы “A”. Поэтому, на клемме “А” будет напряжение +U.

Транзистор вместо ключа

А почему бы нам не заменить ключ S транзисторным ключом? Вводя транзистор в режим насыщения или отсечки, мы можем управлять сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Следовательно, в режиме отсечки схема примет вот такой вид:

а в режиме насыщения вот такой:

Хотя, если честно, падение напряжения в этом случае на коллекторе-эмиттере будет составлять доли Вольт, что на самом деле не критично.

Как мы видим, ключ на транзисторе у нас имеет Вход и Выход:

Допустим, мы на Вход не подаем никакого сигнала. Что будет на Выходе? Не подавая никакого сигнала на базу транзистора через резистор R1, в данном случае на Вход, у нас транзистор НЕ откроется и ключ будет разомкнут (как вы помните, для открытия мы должны подать на базу более 0,6-0,7 Вольт), поэтому на Выходе  (клемма “А” ) у нас будет +U Вольт

Но если правильно рассчитать резистор R1 и подать сигнал, значение напряжения которого будет больше, чем 0,6-0,7 Вольт, то у нас транзистор войдет в режим насыщения и ключ будет замкнут

В этом случае на Выходе (на клемме “А”) у нас будет напряжение близкое к нулю.

Итак, что получаем? Подаем сигнал и имеем на выходе 0 Вольт, если НЕ подаем сигнал – имеем +U.

Такая схема в народе называется инвертором.

– Закрой окно.
– Я не расслышала, закрыть окно или открыть?
– Инвертируй!

Если за входной сигнал и +U взять напряжение, допустим, в 5 Вольт, и договориться, что значение напряжения близкое к 5 Вольтам принять за логическую единичку, а напряжение близкое к нулю принять за логический ноль, то можно вывести самую простую закономерность:

– подаем логическую единичку на вход, получаем логический ноль на выходе

– подаем логический ноль на вход, получаем логическую единичку на выходе

На осциллограмме все это будет выглядеть вот так:

Также в цифровой электронике есть такое понятие, как таблица истинности, которая показывает значение Выходов каких-либо логических элементов со всеми возможными комбинациями на Входе. Для нашего инвертора таблица истинности примет вот такой вид:

Рассчитываем инвертор на практике

Давайте построим инвертор на транзисторе КТ815Б, рассчитаем его и испытаем. +U возьмем 5 Вольт. На Вход также будем подавать управляющий сигнал в 5 Вольт.  Вся схема  у нас будет вот такая:

Как мы уже сказали, резистор R2 будет ограничивать силу тока в цепи +5 Вольт ——-> R2——-> коллектор——-> эмиттер——-> земля, когда транзистор будет полностью открыт, то есть будет находиться в режиме насыщения.  Также R2 будет задавать силу тока через нагрузку в режиме отсечки, которую мы цепанем на Выход схемы. В принципе, резистора Ом на 500 вполне хватит, чтобы в цепи +U——->R2——->коллектор——->эмиттер——->земля в режиме насыщения протекал ток силой в 10 миллиАмпер (I=U/R= 5 В / 500 Ом = 10 мА)

Дело за малым. Надо рассчитать резистор R1. Для этого щелкаем на статью работа транзистора в режиме ключа, и берем из этой статьи формулы для расчета резистора R1.

Для начала рассчитываем базовый ток по формуле:

где

I_Б – это базовый ток, в Амперах

k_нас  – коэффициент насыщения. В основном берут в диапазоне от 2-5. Он уже зависит от того, насколько глубоко вы хотите вогнать ваш транзистор в насыщение. Чем больше коэффициент, тем больше режим насыщения.

I_K  – коллекторный ток, в Амперах

β – коэффициент усиления тока транзистора, для расчетов берут минимальное значение в даташите или замеряют на практике

С помощью своего китайского транзистор-тестера я без труда замеряю β . Здесь он обозначается как hFE.

Теперь k_нас берем 3, так как у нас будет типа переключающая схема. I_к у нас 10 миллиампер, это значение мы высчитывали выше. Считаем базовый ток:

I_б = (3 х 0,01) / 78 = 3,84 х 10^-4 А

Так как управляющее напряжение у нас будет 5 Вольт, применяем закон Ома:

I_б = U/R1

R1 = U/I_б = 5 / 3,84 х 10^-4 =1,3 х 10⁴ Ом. Берем ближайший из ряда на 12 Килоом.

Следовательно, схема будет с такими параметрами:

Вот так она выглядит на макетной плате:

Давайте вместо нагрузки подцепим светодиод. Когда я НЕ подаю 5 Вольт на Вход, светодиод светится:

Когда беру 5 Вольт с другого блока питания и подаю на Вход схемы, то светодиод тухнет:

Как мы видим, схема работает.

Осциллограммы инвертора на транзисторе

Ну а теперь момент истины, смотрим осциллограммы.  Желтый – входной сигнал амплитудой в 5 Вольт с китайского генератора частоты, а красный  – выходной сигнал:

Подали прямоугольный сигнал в 5 Вольт и с частотой в 7 Килогерц, вышел прямоугольный сигнал в 5 Вольт 7 Килогерц. Выйти-то он вышел, но обратите внимание на то, что его фаза абсолютно противоположна фазе входного сигнала. Если взять 5 Вольт за логическую единичку, а 0 Вольт за логический ноль, то у нас получается, что загоняя единичку на вход, получаем ноль на выходе, и наоборот, загоняя ноль на вход, получаем единичку на выходе. Инвертор во всей своей красе 😉

Все, конечно, замечательно, но и здесь есть свои подводные камни. Дело все в том, что транзистор не может сразу быстро выключаться. Проблема заключается в физическом строении самого биполярного транзистора. Для выключения ему требуется некоторое время. В медленно переключающих схемах это не имеет значения, а вот схемы, которые работают на высоких частотах, уже будут иметь искажения. Вот осциллограмма выходного красного сигнала на частоте в 50 Килогерц :

А вот на частоте в 100 Килогерц:

Как видите, сигнал очень сильно искажается. Как же с этим бороться? Можно спроектировать ключ так, чтобы он переключался чуть выше границы насыщения. В этом случае коэффициент насыщения должен быть равен хотя бы единице. Но в этом случае у нас будет падать бОльшее напряжение между коллектором и эмиттером, что приведет к нагреву транзистора и лишним энергозатратам.

Второй вариант, использовать полевые транзисторы. Их еще называют МОП-транзисторы. Характеристики у МОПов намного лучше  и энергозатраты на переключение даже меньше, чем у биполярных транзисторов. Поэтому в основном сейчас везде применяются МОП-транзисторы в роли ключей. Ну и самый пик моды – это IGBT-транзисторы. Может быть мы когда-нибудь дойдем и до них…

www.ruselectronic.com

2.4.3. Работа биполярного транзистора в ключевом режиме

Рисунок 5.9 – Последовательная схема электронного ключа на биполярном транзисторе npn – типа

При построении транзисторных ключей наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером. Поэтому далее будет рассматриваться именно эта схе­ма включения. На рисунке 5.9 и 5.10 приведены последовательная схема электрон­ного ключа на биполярном транзисторе рnр – структуры и семейство выходных характеристик биполярного транзистора. Проведем на семействе выходных харак­теристик нагрузочную прямую, соответст­вующую выбранному значению сопротивле­ния Rк. Нагрузочная прямая пересечет оси координат в точках Uкэ = Ек и Iк=Ек / Rк. Пересечение кривой UкБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима насы­щения (точка Нс). Пересечение кривой IБ = 0 с нагрузочной прямой дает точку границы режима отсечки (точка От).

Рисунок 5.10 – Выходные характеристики биполярного транзистора npn – типа

Для работы в ключевом режиме рабочая точка транзисторного каскада должна нахо­диться либо левее точки Нc (режим насы­щения), либо правее точки От (режим от­сечки). Нахождение между точками Нc и От допускается только при переключении транзистора из насыщенного состояния в состояние отсечки или наоборот. Длитель­ность нахождения транзистора в этой области зависит от его частотных свойств. Поэтому именно эти свойства в большей степени и определяют предельное бы­стродействие схемы коммутации.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ НАСЫЩЕНИЯ «КЛЮЧ

ЗАМКНУТ»

Режиму насыщения соответствует прямое смещение как эмиттерного перехода (ЭП), так и коллекторного перехода (КП) биполярного транзистора. Поэтому ток его базы равен сумме токов этих двух переходов и для транзистора выполня­ется неравенство:

(5.1)

где I_{Б нас} – реальный ток насыщенного транзистора (I_Б5 на рисунке 5.10), соответст­вующий U

КЭ нас; I_{Б гр} — базовый ток, соответствующий границе активного режи­ма и режима насыщения U_КБ = 0 (ток I_БЗ на рисунке 5.10).

Превышение тока I _{Б нас} над током I_{Б гр} принято характеризовать коэффициен­том насыщения:

(5.2)

Рисунок 5.11 – Схема замещения транзистора в режиме насыщения

Расчеты показывают, что оптимальное значение для qнас должно быть в пре­делах 1,5-2,0. Значение qнас выбирается из следующих соображений: режим насыщения дол­жен обеспечиваться при заданном технологическом разбросе параметров транзистора с учетом зависимости этих параметров от внешних возму­щающих воздействий, например температуры. Увеличение IБ нас приводит к увеличению напряжения на прямосмещенном КП, что ведет к уменьшению напряжения Uкэ, то есть уменьшению мощ­ности рассеяния в выходной цепи транзистора. Транзистор в режиме насыщения представляется схемой заме­щения (рисунок 5.11), которая соответствует короткому замыканию между всеми электродами транзистора (говорят, что он «стянут в точку»).

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ТРАНЗИСТОРА В РЕЖИМЕ ОТСЕЧКИ «КЛЮЧ

РАЗОМКНУТ»

Для уяснения особенностей работы VТ в данном состоянии воспользуемся его ВАХ (рисунок 5.12). Они отражают зависи­мости токов транзистора от напряжения на ЭП при его обратном и прямом сме­щении. При этом прямое смещение рас­сматривается только в области малых уровней инжекции. Ток Iк транзистора принципиально не может быть меньше значения тока Iко.

Рисунок 5.12 – Начальный участок ВАХ биполярного транзистора

Напряжению UБЭ=0 соответствует Iк нач = IКБО h21ЭI, то если при UБЭ = 0 в коллекторной цепи тран­зистора протекает некоторый начальный ток Iк нач, который в h21ЭI раз больше IКБО, где h21ЭI— коэффициент передачи по току для инверсного включения. Значение IБ пор определяется выражением При UБЭ = 0 можно допустить h21ЭI h21Э. Принято считать, что транзистор выключен, если выполняется условие: Iк  0,1к нас, что соответствует смещению ЭП в прямом направлении, меньшему некоторого порогового значения напряже­ния UБЭ пор (рисунок 5.12). Поэтому на практике в зависимости от реального напряжения на ЭП разли­чают две разновидности выключенного состояния транзистора.

Рисунок 5.13 – Управляющая цель транзисторного ключа

1. Режим глубокой отсечки (РГО) — эмиттерный переход смещен внешним ис­точником в обратном направлении (UБЭ < 0), а ток IБ равен току обратно сме­щенного коллекторного перехода IБ = -Iкбо. Для обеспечения режима глубокой отсечки важно не только наличие в це­пи ЭП запирающего источника Езап, но и значение сопротивления управля­ющего резистора Rу, включенного во входную цепь транзистора (рисунок 5.13). Ток IКБ0 создает на этом резисторе Rу падение напряжения RуIКБ0. Поэто­му непосредственно к ЭП прикладывается разность напряжения запирающего источника и падения напряжения на ре­зисторе Ry, то есть UБЭ зап = Uзап – IКБОRу.

Для режима глубокой отсечки:

(5.3)

2. Режим пассивного запирания (РПЗ) харак­теризуется неравенством 0 < U_БЭ < U_БЭпор. В режиме пассивного запирания мощность, рассеиваемая транзистором, больше, чем в режиме глубокой отсечки. Для режима пассивного запирания:

(5.4)

Таким образом, в режиме отсечки (ключ разомкнут) через транзистор проте­кает минимальный ток. Это состояние соответствует точке От (рисунок 5.10), когда Iк = I_КБ0  0, а напряжение на транзисторе Uкэ  Ек. Транзистор в режиме отсеч­ки может быть представлен схемой замещения (рисунок 5.14), содержащей только один источник тока I_кбо, включенный между коллектором и базой.

Рисунок 5.14 – Схема замещения транзистора в режиме отсечки

Причинами переходных процессов, возникающих в схеме транзисторного ключа при переключении, являются процессы, связанные с изменением пространственного заряда неосновных носителей в области базы, и процессы, связанные с перезарядом барьерных емкостей переходов. Как и в режиме отсечки, в режиме насыщения мощности Рк = UкэIк, теряемая на транзисторном ключе, мала, так как мало напржение. напряжение Uкэ нас приводится в справочниках. Для создания электронного ключа следует выбирать транзистор с малым Uкэ нас (Uкэ нас <<Ек).

При работе транзисторного ключа переключение из откры­того состояния в закрытое и наоборот происходит скачком, потери мощности при этом, как правило, незначительны. Таким образом, работа транзистора в ключе­вом режиме характеризуется малыми потерями мощности и высоким КПД.

studfile.net

9.4 Транзисторные ключи на биполярных транзисторах

Транзисторный ключ является основным элементом устройств информационной электроники и многих устройств силовой электроники.

На рис. 9.11 а представлена схема простейшего ключа на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером, на рис 9.11 б – диаграмма входного напряжения, а на рис. 9.11 в – выходного напряжения.

В начале рассмотрим работу транзисторного ключа в установившемся режиме. До момента времени t₁ эммитерный переход транзистора заперт отрицательным входным напряжением, транзистор находится в режиме отсечки.

Рис.9.11. Схема простейшего ключа на биполярном транзисторе и диаграммы его работы

В этом режиме I_К=-I_б=I_K0 (I_K0 – обратный ток коллектора), I_Э0. Пренебрегая малым обратным током коллектора I_К0, получаем i_к = i_б  0 . При этом U_Rб  U_Rк  0; U_бэ  U₂; U_кэ  Е_К. (рис. 9.11 в).

В промежутке t₁  t₂ величину сопротивления R_б и входного напряжения U₁ выбирают так, чтобы транзистор находился в области насыщения, либо близкой к ней.

В этом режиме транзистор открыт и выполняются соотношения:

Таким образом, низкому входному (управляющему) потенциалу соответствует высокий потенциал на выходе ключа и наоборот. Такой режим работы называется инверсным. Часто ключевые схемы работают друг на друга и тогда входное (управляющее) напряжение будет иметь форму выходного сигнала, а это значит, что с учетом возможных входных помех, параметры схемы должны быть рассчитаны таким образом, чтобы входное напряжение не превышало некоторую пороговую величину. Например, для кремниевых транзисторов надежное запирание обеспечивается уровнем в 0,4 В. Надежное отпирание транзистора обеспечивается при условии выполнения соотношения . Кроме этого необходимо учитывать, что R_К должно быть выбрано так, чтобы при открытом транзисторе коллекторный ток не превысил максимально допустимого для выбранного типа транзистора. То есть .

Надежное открывание транзистора сопровождается его переходом в область насыщения, при этом в цепи коллектора протекает ток I_Кнас., определяемый соотношением . Напряжение U_КЭ в режиме насыщения различно у различных типов транзисторов и обычно лежит в пределах 0,08 ÷ 1 В. Минимальный ток базы необходимый для обеспечения режима насыщения определяется выражением:

.

Глубину насыщения оценивают через коэффициент насыщения q_нас показывающий во сколько раз реальный ток базы больше того минимального значения тока базы, которое необходимо для обеспечения режима насыщения. То есть:

.

При выбранном q_нас можно производить расчет элементов ключа в статическом режиме. При этом следует руководствоваться следующими соображениями. Режим насыщения должен обеспечиваться для различных экземпляров транзисторов выбранного типа при заданном диапазоне температур. Увеличение тока базы в режиме насыщения уменьшает величину U_КЭ, уменьшая мощность выделяющуюся в выходной цепи транзистора, но при этом увеличивается мощность выделяемая во входной его цепи. Кроме этого увеличение тока базы уменьшает время перехода из закрытого состояния в открытое (в режим насыщения), но затягивает время выхода транзистора из режима насыщения. Исходя из этих соображений, в расчетах принимают q_нас=1,5 ÷ 2.

Динамический режим работы ключа изображенного на рис 9.11 рассмотрим на временных диаграммах его работы. На рис 9.12 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс включения транзисторного ключа.

Рис.9.11. Временные диаграммы включения транзисторного ключа

При подаче входного переключающего напряжения начинается перезарядка барьерных емкостей эммитерного С_Э и коллекторного С_К переходов, поэтому, когда во время t₁ входное напряжение изменяется скачком, транзистор остается запертым, поскольку напряжение на его входной емкости не может изменятся скачком. Через сопротивление базы начнет протекать ток, изменяя U_бэ хотя сам транзистор продолжает оставаться запертым. Время задержки приблизительно можно определить по формуле:

t₃ = _вх[1+( U_бо/ U₁ )],

где _вх = R_б(С_Э+С_К), U_бо – начальное смещение U_бэ – вызванное выпирающим входным напряжением – U₂.

Значение t₃ обычно не велико. Поэтому этим временем в расчетах часто пренебрегают.

Когда напряжение U_бэ достигает некоторого порогового значения U_{бэ порог} транзистор начнет отпираться формируя фронт выходного сигнала t_ф. При этом коллекторный ток экспоненциально нарастает до перехода транзистора в режим насыщения. В это время экспоненциально падает U_эк=U_вых до достижения величины U_{кэ нас.}.

Длительность отрицательного фронта может быть определена в соответствии с формулой:

,

где _а – постоянная времени цепи базы,

– ток базы при переходе в режим насыщения.

Оценить порядок величины отрицательного фронта можно рассмотрев типовой пример. Так, если _а=2 мкс; _ст =50; =1 mА;=5 mА, то=0,2 мкс.

Общее время включения транзистора определяется суммой t₃ + t_ф.

Начиная с момента t₃ токи коллектора, эмиттера и базы практически не изменяются, однако заряд в базе продолжает нарастать с постоянной времени _H и заканчивается через время t_H = (2÷3)_H.

Процесс выключения транзисторного ключа иллюстрируется рис. 9.12. и начинается с момента подачи входного отрицательного управляющего потенциала (-U₂) (время t₁) процесс запирания транзистора происходит в два этапа: рассасывание избыточного заряда (до времени t₂) и формирование положительного фронта (до времени t₃).

Заряд, накопившийся в базе открытого транзистора мгновенно рассосаться не может и в течение некоторого промежутка времени ток коллектора не изменяется. При достаточно большом запирающем напряжении время рассасывания можно определить по формуле

t_p = _Hq_насI_к.нас./(_стI_б),

где _H – постоянная времени насыщения; I_б – скачёк базового тока в момент начала выключения ключа. В интервале рассасывания ток базы (без учета U_бэ) определяется соотношением:

.

Рис.9.12. Временные диаграммы выключения транзисторного ключа

На интервале формирования положительного фронта продолжается уменьшение концентрации неравновесных носителей, ток I_к значительно уменьшается, а напряжение U_кэ возрастает. По окончании время выключения (после времени t₃) ток коллектора становится равным току базы, эммитерный переход смещается в обратном направлении, ток базы быстро уменьшается по модулю и становится практически равным нулю.

В рассматриваемой схеме время рассасывания t_расс существенно больше всех остальных времен, поэтому временем спада и установления можно пренебречь. При этом следует иметь ввиду, что чем больше по модулю переключающий ток базы, тем меньше время рассасывания, и чем больше коэффициент насыщения, тем больше время рассасывания.

Количественный анализ переходных процессов удобнее всего осуществлять с помощью пакетов программ для машинного анализа электронных схем (например Micro – Cap V и др.)

Одним из способов повышения быстродействия является предотвращение насыщения транзистора с целью уменьшения времени рассасывания путем специальных схемотехнических решений. На рис. 9.13 приведен вариант реализации ненасыщенного транзисторного ключа с нелинейной отрицательной обратной связью по напряжению на высокочастотном диоде.

Рис.9.13. Вариант реализации ненасыщенного ключа

Напряжение смещения U_см в такой схеме выбирается в диапазоне0,4÷ 0,6В. Работает схема следующим образом. Пока транзистор достаточно далек от области насыщения, диод VD закрыт напряжением Е_К. На границе активного режима и режима насыщения напряжения U_КБ оказывается близким к нулю и диод открывается за счет U_СМ. После этого часть тока источника входного сигнала ответвляется в цепь диода, ток базы уменьшается и транзистор не входит в режим насыщения.

На рис. 9.14 показан вариант схемы ненасыщенного ключа в котором нелинейная отрицательная обратная связь реализуется через диод Шотки у которого напряжение отпирания около 0,25 В. При использовании диода Шотки дополнительного источника смещения не требуется.

Рис.9.14. Ненасыщенный ключ на диоде Шотки

studfile.net

Как работает МОП-транзистор | Практическая электроника

В этой статье мы рассмотрим работу МОП-транзистора.

Виды МОП-транзисторов

Здесь работает правило два по два (2х2). В каждом семействе по два вида:

Из всех этих 4 разновидностей, наверное не ошибусь, если скажу, что самый употребимый транзистор считается именно N-канальный с индуцированным каналом:

Именно с него мы и начнем наш путь в мир современной электроники.

Режим отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом:

Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Что будем делать с этим куском кремния? Раз уж он есть, то давайте заставим его пахать. Для начала соберем вот такую простенькую схемку ключа:

Напряжение на крокодилы идет с блока питания Bat, но лампочка не горит. Следовательно, в данный момент никакого движения электрического тока через канал Стока и Истока нет.

Это аналогично этому рисунку (только тут без лампочки):

Ток не бежит, потому что у нас там эквивалентный диод VD2, который препятствует протеканию тока.

Об этом я еще говорил в прошлой статье.

На амперметре блока питания также по нулям, что говорит о том, что тока вообще нет никакого.

Почему Затвор у нас висит без дела? Не порядок. Надо его тоже задействовать. Чем у нас занимается Затвор в полевых транзисторах? Управляет потоком основных носителей. А что такое поток заряженных частиц, которые движутся в одном направлении? Да, все верно – это электрический ток ;-).

В опыте выше на Затворе сейчас почти ноль. Почему почти? Да потому что он все равно пытается ловить какие-то наводки, но это все равно не сказывается на работе схемы. В реальных схемах Затвор никогда нельзя оставлять без дела болтаться в воздухе. Он всегда должен быть соединен с чем-нибудь.

Так, что нам теперь надо сделать, чтобы начать управлять шириной канала Сток-Исток, а следовательно и менять сопротивление этого канала? Как мы помним из прошлой статьи, достаточно подать положительное напряжение относительно Истока на Затвор;-) Для этого возьмем второй блок питания и будем с помощью него менять напряжение на Затворе нашего транзистора. Сделаем все по такой схеме:

Вот так выглядит мой блок питания, который в схеме называется Bat2. С помощью него мы будем регулировать напряжение вручную от нуля и больше.

Так выглядит вся схема в реале, которую я нарисовал выше. Так как вольтметр на блоке питания стрелочный и неточный, поэтому напряжение будем мерять с помощью мультиметра, который я цепанул параллельно щупам Bat2:

Хоть я и сделал крутилку на ноль на Bat2, все равно он выдает каких-то 22 миллиВольта. На этот опыт эти доли милливольта никак не повлияют.

Ну что, поехали?

Устанавливаю 1 Вольт на Bat2:

Лампочка не горит, сила тока в цепи ноль Ампер:

Так ладно. Добавляем еще 1 Вольт, итого получаем 2 Вольта:

Лампочка не горит, на амперметре опять по нулям:

Ну ладно. Раз такое дело добавляем еще 1 Вольт. Итого 3 Вольта:

Да опять лампочка не зажглась!

Активный режим работы транзистора

И вот уже при каких-то 3,5 Вольт

Через лампочку начинает течь ток силой около 10 мА, но лампочка, естественно, пока что не горит. Ток слабоват.

Во! Запомните этот момент! При этом напряжении транзистор начинает ОТКРЫВАТЬСЯ.  Это значение у разных видов транзисторов разное. В основном от 0,5 и до 5 вольт.  В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз.  –  пороговое напряжение на Затворе для включения транзистора. В даташите этот параметр указывается как V_GS(th), а в некоторых даташитах как V_GS(to) . В даташите на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions):

(картинка кликабельна)

Как вы видите, диапазон открытия этого транзистора может быть от 2 Вольт и до 4 Вольт. Но опять же, это при токе Стока от 250 мкА, как указано в даташите, а я замерял от 10 мА. Здесь также в условиях говорится, что напряжение между Истоком и Затвором должно быть такое же, как и напряжение между Стоком и Истоком. Так как мы не пытались замерить точное напряжение 5-ым знаком после запятой, для нас эти условия не имеют значения. Как вы помните, у биполярных транзисторов транзистор начинал открываться только при напряжении на базе-эмиттере более 0,6-0,7 Вольт для кремниевых видов.

Неужели мы сегодня так и не зажжем лампочку? Зажжем, да еще как! Для того, чтобы чуток накалить нить лампы, мы просто добавляем напряжение на Затвор, покрутив крутилку блока питания Bat2.

Вуа-ля! Нить лампы стала слабенько гореть.

На амперметре видим значение около 1 Ампера:

При этом стал очень сильно греться сам транзистор. Почему? Давайте разберемся…

Почему греется транзистор

Итак, раз мы с помощью Затвора стали управлять сопротивлением канала Сток-Исток, то грубо говоря, это у нас получился резистор R. Это и есть сопротивление канала Сток-Исток. При напряжении на Затворе в 0 Вольт, сопротивление этого резистора достигает очень большого значения, а следовательно, сила тока, протекающего через него, будет вообще микроАмперы. Закон Ома.

Так как резистор R включен последовательно в цепь, то вспоминаем правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, а на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Также не забываем, что нить лампы тоже обладает сопротивлением, поэтому рисунок у нас примет вот такой вид:

В первом случае у нас на Затвор ничего не подавалось и транзистор был в закрытом состоянии. Как только мы стали подавать напругу на Затвор, то у нас сопротивление канала стало меняться, а следовательно и падение напряжение на резисторе R и проходящий через него ток. Получился типичный делитель напряжения. В этом случае на резисторе R падает какое-то напряжение и через него течет приличная сила тока. В нашем случае почти 1 Ампер. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке  помноженной на силу тока через Сток-Исток или просто на ток Стока или буквами:

P= I²_C R 

где R – это сопротивление канала Сток-Исток

I_C  – ток, проходящий через канал (ток Стока)

А что такое мощность, рассеиваемая на радиоэлементе? Это и есть тепло. Поэтому в нашем случае транзистор нагрелся очень сильно. Опыт пришлось приостановить.

Значит, самые щадящие режимы для МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт. В этом случае у нас сопротивление канала достигает сотые доли Ома. Либо когда канал полностью закрыт. В этом случае сила тока, проходящая через канал, будет достигать тока утечки между Стоком и Истоком. А это микроАмперы. В этих двух случаях транзистор будет холодным, как айсберг в океане. Поэтому такой транзистор предназначен в основном для работы в ключевом режиме, где как раз и используются эти два режима.

Режим насыщения МОП-транзистора

Для того, чтобы полностью открыть транзистор, достаточно будет просто подать чуть больше напряжения для полного открытия канала. В моем случае это составило 4,2 Вольта и выше:

Как вы видите, лампочка горит в полный накал. Сопротивление канала в этом случае минимальное.

Лампа ест свои честные 1,69 Ампер:

Умножайте силу тока на напряжение и получаем потребляемую мощность лампочки. Итого P=IU=12 Вх1,69 А=20,28 Ватт

А на лампочке написано 21 Ватт:

Ладно, спишем на погрешность и на то, что лампа еще не раскочегарилась. Транзистор в этом случае остается холодным и ни капельки не греется.

Предельные параметры и графические зависимости

Раз уж транзистор полностью открылся, то можно ли еще подавать напряжение на Затвор? Можно. Но при этом лампочка уже ярче светить не будет. Оно и понятно, так как лампочка итак горит уже на всю мощь, а сопротивление канала достигло уже почти нуля. Какое максимальное напряжение можно подать на Затвор? Смотрим даташит и находим что-то типа максимальных параметров (Absolute Maximum Ratings)

Находим параметр V_GS , что обозначает напряжение между Затвором и Истоком. В нашем случае это напряжение на Bat2.  Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать – это +-20 Вольт.  Напряжение более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, в нашем случае это оксид кремния, и транзистору придет жопа. Значит, мы можем спокойно подавать от 0 и до 20 Вольт на Затвор, не боясь что транзистор уйдет на тот свет.

Также для нас могут представлять интерес такие параметры, как максимальная сила тока, которая может течь через канал Сток-Исток. В даташите такой параметр обозначается как I_D (ток Стока).

(картинка кликабельна)

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуе кристалла 100 градусов, что чаще всего происходит на практике.

Так как транзистор с индуцированным каналом в основном используется в импульсном и ключевом режиме, поэтому нам важен такой параметр как сопротивление канала полностью открытого транзистора. В даташите он указывается как R_DS(on)

Как мы видим всего 17,5 миллиОм. Или 0,017 Ом. Тысячные доли Ома! Давайте предположим, что мы пропускаем через открытый транзистор максимальный ток в 49 Ампер. Какая мощность будет рассеиваться на транзисторе в этом случае? Формула мощности через силу тока и сопротивление выглядит вот так: P=I²R= 49² x 0,017 = 41 Ватт.

А максимальная мощность, которую может рассеять транзистор – это 94 Ватта.

Основные параметры полевых МОП-транзисторов указываются в основном сразу на первой страничке даташита в отдельной рамке.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите. Очень информативно и наглядно.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала  полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Интересное свойство МОП-транзистора

А давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1:

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы.

В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть то? На Затворе то у нас голимый ноль, поэтому канал закрыт.

На фото ниже показан этот случай.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь:

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Тупо подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет копейки.

Лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал равен почти как и на Истоке, то есть нулю, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, “захватив” по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой стол.

Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого МОПа.

 Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться то ему некуда! Вот он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал Затвора и заткнуть канал, нам опять же надо уравнять его с нулем, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет:

Как вы видели в опыте выше,  если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах – Затвор должен всегда чем то управляться и с чем то соединяться. Ему нельзя давать висеть в воздухе. Об этом я еще говорил в начале статьи.

Ключ на МОП транзисторе

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель),  лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше).

Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные  транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Чего боится МОП-транзистор

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим P-N переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим P-N переходом – 250 Вольт. Поэтому самое важное правило при работе с такими транзисторами – это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде как спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Читайте также следующую статью: как проверить МОП-транзистор.

www.ruselectronic.com