Как работают полевые транзисторы и как проверить полевой транзистор мультиметром

Содержание

Расчёт транзисторного ключа

Рейтинг:  5 / 5

Подробности
Категория: Практические советы
Опубликовано: 27.11.2019 13:45
Просмотров: 2513

Для транзисторного ключа не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току. Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или datasheet на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

h21э=Iк/Iб Iк — ток колектора Iб — ток базы В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107

Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор

Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле: UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В . Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него: R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом . При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 2. Рисунок 2 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 3) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора. Рисунок 3 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока Iко транзисторного ключа резистором. В схеме, приведённой на рисунке 3, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен: IR2=4 мА/3 =1,3 мА . Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В. R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада

Расчёт ключевого режима транзисторного каскада производится абсолютно так же, как и ранее проведённый расчёт усилительного каскада. Отличие заключается только в том, что ключевой режим предполагает два состояния транзистора в режиме покоя (без сигнала). Он, или закрыт (но не закорочен), или открыт (но не перенасыщен). При этом, рабочие точки «покоя», находятся за пределами точек А и С изображённых на ВАХ. Когда на схеме в состоянии без сигнала транзистор должен быть закрыт, необходимо из ранее изображённой схемы каскада удалить резистор Rб1

. Если же требуется, чтобы транзистор в состоянии покоя был открыт, необходимо в схеме каскада увеличить резисторRб2 в 10 раз от расчётного значения, а в отдельных случаях, его можно удалить из схемы.

Расчёт транзисторного каскада окончен.

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n+ называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение Uзи, при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение Uзи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При Uзи = 0 канал отсутствует и Ic = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения Uзи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор, то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс.

ВАХ представлена на рисунке:

В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO2. Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 1013…1015 Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

  • Крутизна характеристики при Uсп = const, Uпи = const. Типичные значения параметра (0,1…500) мА/В;
  • Крутизна характеристики по подложке при Uсп = const, Uзи = const. Типичные значения параметра (0.1…1) мА/В;
  • Начальный ток стока Iс.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения Uзи. Типичные значения параметра: (0,2…600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1…100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01…0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;
  • Напряжение отсечки Uзи.отс.. Типичные значения (0,2…10) В; пороговое напряжение Uп. Типичные значения (1…6) В;
  • Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом
  • Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при Uзи = const;
  • Статистический коэффициент усиления: μ = S · ri

Виды полевых транзисторов

В семействе МОП полевых транзисторов в основном выделяют 4 вида:

1) N-канальный с индуцированным каналом

2) P-канальный с индуцированным каналом

3) N-канальный со встроенным каналом

4) P-канальный со встроенным каналом

Как вы могли заметить, разница только в обозначении самого канала. С индуцированным каналом он обозначается штриховой линией, а со встроенным каналом – сплошной.

В современном мире полевой транзистор со встроенным каналом используется все реже и реже, поэтому, в наших статьям мы их не будем рассматривать. Будем изучать только N и P – канальные полевые транзисторы с индуцированным каналом.

Изолированные драйверы затворов

Для получения очень высоких мощностей разработчики начинают использовать такие топологии, как двухключевой прямоходовый преобразователь, полумостовой или мостовой преобразователи. Во всех этих топологиях необходимо применять плавающий ключ.

Существуют решения этой задачи с использованием полупроводниковых компонентов, но только для низковольтных применений. Интегральные драйверы верхнего плеча не предоставляют разработчику достаточной гибкости, а также не обеспечивают такого уровня защиты, изоляции, устойчивости к переходным процессам и подавления синфазных помех, который дает хорошо спроектированный и изготовленный трансформатор для управления затвором.

На рис. 4 показан самый примитивный способ получения плавающего управления затвором. Выход микросхемы драйвера подключен через разделительный конденсатор к небольшому трансформатору (обычно тороидальному для лучшей производительности). Вторичная обмотка подключена непосредственно к затвору ПТ, и любые замедляющие резисторы должны располагаться со стороны первичной обмотки трансформатора

Обратите внимание на стабилитроны в затворе для защиты от переходных процессов. На выходе драйвера необходимо использовать ограничительные диоды, ими нельзя пренебрегать, даже если при первых испытаниях не возникли проблемы с реактивными токами в трансформаторе

Рис. 4. Простейшая изолированная схема для управления затвором

В простейшей изолированной схеме для управления затвором используется трансформатор, как показано на рис. 4. Ограничительные диоды необходимы для защиты от реактивных токов, а разделительный конденсатор предотвращает насыщение трансформатора. Конденсатор дает сдвиг уровня выходного напряжения драйвера, который зависит от относительной длительности управляющих импульсов.

Схема, представленная на рис. 4, обеспечивает отрицательное напряжение на вторичной обмотке на интервалах времени, когда ПТ выключен

Это значительно увеличивает устойчивость к синфазным помехам, что особенно важно для мостовых схем

Однако недостаток отрицательного смещения это уменьшение положительного напряжения, открывающего ПТ. При небольшой относительной длительности импульсов положительный импульс большой. При относительной длительности, равной 50%, половина имеющегося напряжения драйвера теряется. При большой относительной длительности положительного напряжения может не хватить для полного открывания ПТ.

Схемы с трансформаторной развязкой наиболее эффективны при относительной длительности от 0 до 50%. К счастью, именно это и нужно для прямоходовых, мостовых и полумостовых преобразователей.

Обратите внимание: на рис. 5 показано, как напряжение на разделительном конденсаторе смещается под действием низкочастотных колебаний, наложенных на выходные импульсы драйвера

Эти колебания должны тщательно подавляться для обеспечения безопасной работы. Обычно для борьбы с этим явлением увеличивают емкость конденсатора, что уменьшает Q для низкочастотных составляющих. Необходимо проверить работу схемы при всех возможных переходных процессах, особенно при старте, когда конденсатор разряжен.

Рис. 5. Колебания, возникающие в разделительном конденсаторе и влияющие на работу трансформатора

Ключ на мощном полевом МОП-транзисторе

Чаще всего в качестве ключа используется мощный полевой МОП-транзистор. Его стоимость и потери насыщения в большинстве приложений сравнимы с аналогичными потерями биполярного транзистора, а переключение выполняется в 5-10 раз быстрее. Кроме того, МОП-транзисторы проще для использования в проекте.

Полевой МОП-транзистор представляет собой источник тока с управлением по напряжению. Для управления МОП-транзистором в состоянии насыщения между выводами затвора и истока должно быть приложено достаточно большое напряжение, чтобы пропускать ток силы выше максимального ожидаемого тока через сток. Отношение напряжения между затвором и истоком к току через сток называется межэлектродной проводимостью (transonductance) и обозначается g,„. Обычно мощные полевые МОП-транзисторы разбивают на две категории:

• стандартные — должны иметь значение Vgs, равное 8-10 В, чтобы гарантировать полный номинальный ток через сток;

• МОП-транзисторы логического уровня, в которых напряжение Fgs должно составлять лишь 4,0^,5 В.

У полевых МОП-транзисторов логического уровня обычно низкие номинальные значения напряжения между стоком и истоком (< 60 В).

Время переключения полевых МОП-транзисторов очень мало: обычно от 40 до 80 не. Для того чтобы организовать управление МОП-транзистором с такой скоростью, необходимо прежде рассмотреть неотъемлемую паразитную емкость, существующую во всех мощных МОП-транзисторах (рис. 3.35).

Эти емкости указываются в спецификации любого мощного МОП-транзистора и играют очень важную роль. Емкость перехода сток-исток Coss учитывается в нагрузках стока, но напрямую не входит в схему драйвера. Емкости CJSS и Crss оказывают прямое и вычислимое влияние на характеристики переключения полевого МОП-транзистора. На рис. 3.36 показаны волновые формы цикла переключения для затвора и стока типичного полевого МОП-транзистора с каналом п-типа.

Плато в сигнале напряжения управления затвором обусловлено ниспадающим участком сигнала между стоком и истоком, связанного с узлом затвора через конденсатор CrSS. На протяжении этого периода наблюдается большой импульс тока управления затвором. Данному плато соответствует уровень напряжения, который немного выше номинального порогового напряжения затвора и составляет VTH + lo/gm- Значение напряжения плато можно также определить с помощью графика передаточной функций, представленной в спецификации любого полевого МОП-транзистора (рис. 3.37). Для неточной оценки может быть использовано пороговое напряжение.

Рис. 3.38. Схемы управления полевым МОП-транзистором: а — пассивное включение; б — пассивного выключения; в— биполярный выходной двухтактный каскад; з — выходной двухтактный МОП-каскад; д — драйвер с изолирующим трансформатором

Tweet Нравится

  • Предыдущая запись: Борьба с шумом и электромагнитными помехами
  • Следующая запись: СОЛИРУЮЩАЯ ЭЛЕКТРОГИТАРА С ОРГАННЫМИ ТЕМБРАМИ

Чем отличается ток от напряжения? (2)
Связь тока и напряжения (0)
ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО РАДИОПРИЕМНИКА (0)
ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА (0)
ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИТИЙ-НОННОГО ЭЛЕМЕНТА КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДНОГО УСТРОЙСТВА (0)
ОГРАНИЧИТЕЛЬ ЗАРЯДНОГО TOKA АККУМУЛЯТОРА (0)
ИНДИКАТОР НАПРЯЖЕНИЯ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ПРОСТАЯ СХЕМА (0)

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

Обозначение линий связи на электрических схемах

Но для их работы необходимо соблюдение целого ряда требований.


Найти на электрической схеме электродвигатели, определить их систему питания.


Не все контуры считаются электрическими цепями. Активный двухполюсник содержит источники электрической энергии, а пассивный двухполюсник их не содержит.


Такой выключатель реагирует на определённое слово или тон голоса. Какую нужно построить цепь, с двумя лампочками, чтобы можно было не зажигать ни одну из них, зажечь только одну или зажечь обе? Перед выполнением следующего задания хочется напомнить китайскую мудрость: Расскажи — и я забуду… Дай мне возможность действовать самому — и я научусь. Важным отличительным свойством элементов второго класса является наличие участка вольт-амперной характеристики, имеющего отрицательное сопротивление, что обеспечивает регенеративный лавинообразный переход таких элементов из выключенного состояния во включенное практически независимо от параметров входного переключающего сигнала. Зато на первый план выступает скорость переключения ключа, которая определяет число операций в единицу времени, т. В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. Электродвигатели, лампы, плитки, всевозможные электробытовые приборы называют приёмниками или потребителями электрической энергии.

Схема электрической цепи – применение и классификация.


Дискретность разбиения определяется требуемой точностью аппроксимации и видом аппроксимируемой функции. Обсудить Редактировать статью Электротехнические устройства очень важны в жизни современного цивилизованного человека. На практике широко используются схемы замещения во время работы активных и пассивных элементов.

Выходные логические уровни, которые характеризуют цепи управления ключа и их совместимость с цифровыми ИС. Время установления выходного сигнала время, за которое выходной сигнал при переключении достигает установившегося значения с допустимой погрешностью на заданной нагрузке. Если использовать оба режима, которые были уже рассмотрены, то по их результатам могут быть определены параметры активного двухполюсника. Сложная цепь обладает, как правило, несколькими ветвями. Эта энергия восполняется в источнике тока.

В зависимости от значения источника тока низкий уровень или высокий транзистор должен быть в закрытом режим отсечки или насыщенном статическом состоянии. Элементы с такой характеристикой, используемые в электронике, весьма многочисленны и разнообразны, однако все они объединяются важнейшим качеством — способностью работать в ключевом режиме. Задача на закон сохранения энергии в электрической цепи

Виды транзисторов

Каждая из ветвей отличается на 0.

Изображение схем подключения полевых триодов Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях. Схема включения MOSFET Традиционная, классическая схема включения «мосфет», работающего в режиме ключа открыт-закрыт , приведена на рис 3.

Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Среди них можно выделить: биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами; комбинации из двух триодов одинаковых или разных структур в одном корпусе; лямбда-диоды — сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением; конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом применяются для управления электромоторами. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си.

Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Стабильность при изменении температуры. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Это возможно благодаря тому, что не используется инжекция неосновных носителей заряда.

Принцип работы триода При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается. Поэтому использование такого подхода на практике сильного ограничено в усилительной технике.

Также сюда подключается и усилитель колебаний. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует. Защита от переполюсовки на основе полевого транзистора

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Семейства AUIR331x, AUIR332x, AUIPS71xx (таблица 4) являются более совершенными по сравнению с вышеописанными ключами. Они обладают самой продвинутой системой диагностики. Аналоговый выход позволяет определять не только аварийные ситуации, но и величину протекающего тока (рисунок 9). Это может быть полезно, если необходимо контролировать броски тока, когда коммутируется, к примеру, лампа освещения или емкостная нагрузка. В этом случае управляющая система сама определяет, необходимо ли защитное отключение.

Таблица 4. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Наименование Число каналов Rси вкл., мОм U вых. макс, B Защита по току Корпус Применение Особенности
Тип защиты I выкл., А
AUIR3313 1 7 40 Подстраиваемое защитное отключение 10…90 TO220-5 D2PAK-5 Автомобильные системы подогрева стекол, кресел Подстройка величины защитного тока
AUIR3314 1 12 40 Подстраиваемое защитное отключение 6…60 TO220-5 D2PAK-5 Защита от перегрева
AUIR3315 1 20 40 Подстраиваемое защитное отключение 3…30 TO220-5 D2PAK-5 Диагностический аналоговый выход
AUIR3316 1 7 40 Подстраиваемое защитное отключение 10…90 TO220-5 D2PAK-5 Свечи накаливания Защита от обратной полярности напряжения питания
AUIR3317 1 7 40 Защитное отключение 120 TO220-5 D2PAK-5 Защитная функция WAIT
AUIR3320 1 4 40 Подстраиваемое защитное отключение 10…55 D2PAK-5 Замена силовых реле Функция активного ограничения тока
AUIPS7125 1 30 65 Защитное отключение 60 DPAK-5 Диагностический аналоговый выход

Рис. 9. Диагностика состояния ключа

Ключи имеют рекордно низкие значения сопротивлений открытого ключа (всего 4 мОм у AUIR3320, 7,5 мОм у AUIPS7111). Управляющее напряжение измеряется относительно напряжения питания, что делает возможным использовать внешний транзистор, обеспечивающий дополнительную защиту управляющих схем (рисунок 10).

Степень защиты данных ключей максимально высока. Ключи имеют защиту от перегрузки по току, от перегрева, неправильной полярности питающего напряжения. Реализована функция активного ограничения тока.

Защита от обратной полярности батареи требует наличия обратного диода на входе. Если используется полевой транзистор, то будет достаточно встроенного диода. Если используется биполярный транзистор — нужен внешний диод (рисунок 10).

Рис. 10. Схема включения IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Ключи AUIR331x (кроме AUIR3317) и AUIR3320 имеют программируемое значение тока защитного отключения. Величина этого тока определяется резистором обратной связи Rос (рисунок 11). Кроме того, для дополнительной гарантированной защиты от перегрева реализована защитная функция WAIT (рисунок 4б). Минусом реализации функции WAIT является ограничение использования данных ключей в ШИМ-режиме.

Рис. 11. Установка тока защитного отключения

Ключи AUIR71xx ограниченно могут применяться для ШИМ-приложений, так как не имеют функции WAIT и имеют малое собственное сопротивление. Однако стоит остерегаться использования слишком высоких значений частот, чтобы не перегреть кристалл (рисунок 4а).

IPS данного семейства, обладая низким значением сопротивления, идеально подходят для реализации внутреннего и внешнего автомобильного освещения, систем подогрева зеркал и сидений, питания активной подвески, питания электромагнитных клапанов системы впрыска топлива. Эти ключи представляют идеальную замену для реле в цепях с большими протекающими токами.