Wabashpress.ru

Техника Гидропрессы
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Коммутаторы на полевых транзисторах

Коммутаторы на полевых транзисторах

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изменяться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор-исток Uзи. На рис. 2а изображена упрощенная схема последовательного коммутатора на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом.

Рис. 2. Последовательный коммутатор на полевом транзисторе с управляющим pn-переходом

Если в этой схеме управляющее напряжение Uупр установить меньшим, чем минимально-возможное входное напряжение, по крайней мере на величину порогового напряжения транзистора, транзистор закроется и выходное напряжение станет равным нулю. Для того, чтобы транзистор был открыт, напряжение затвор-исток Uзи следует поддерживать равным нулю, что обеспечивает минимальное сопротивление канала. Если же это напряжение станет больше нуля, управляющий pn-переход откроется, и выход коммутатора окажется соединенным с цепью управления. Равенство нулю Uзи непросто реализовать, так как потенциал истока изменяется согласно изменению входного потенциала. Наиболее простой путь преодоления этой трудности показан на рис. 2б.

Если напряжение Uупр установить бoльшим, чем максимально-возможное входное напряжение коммутатора, диод VD закроется и напряжение Uзи будет, как это и требуется, равно нулю. При достаточно большом отрицательном управляющем напряжении диод будет открыт, а полевой транзистор закрыт. В таком режиме работы через резистор R1 течет ток от источника входного сигнала в цепь управляющего сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, так как выходное напряжение коммутатора в этом режиме равно нулю. Нарушение нормального режима работы такой схемы может произойти лишь в случае, если цепь входного сигнала содержит разделительный конденсатор, который при закрытом транзисторе коммутатора зарядится до отрицательного уровня управляющего напряжения.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа использовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП-транзистор). Его можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положительное напряжение, причем и в таком режиме работы ток затвора будет равен нулю. Таким образом, в этой схеме коммутатора отпадает необходимость в диоде и резисторе R1. Схема ключа на МОП-транзисторе приведена на рис. 3а. Здесь ключом является n-канальный МОП-транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при Uзи <= 0.

Рис. 3. Последовательные коммутаторы на МОП-транзисторах

В этом состоянии сопротивление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения приводит канал в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей.

Приведенная на рис. 3а схема будет работать при положительных входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем Uупр; при более высоком уровне сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопротивление канала в открытом состоянии Rо начнет расти); отрицательные входные сигналы вызовут включение транзистора при заземленном затворе. Поэтому, если надо переключать сигналы обеих полярностей (например, в диапазоне от -10 до +10 В), то можно использовать такую же схему, соединив подложку с источником -15 В и подавая на затвор напряжения +15 В (включено) и -15 В (выключено).

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис. 3б. Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное питающее напряжение +Uпит, а на подложку транзистора VT2 — отрицательное питающее напряжение -Uпит. При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT2 практически равно +Uпит. В таком случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от -Uпит до +Uпит без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rо начинает катастрофически расти). В это время напряжение на затворе VT1 практически равно -Uпит. Транзистор VT1 пропускает сигналы с уровнями от +Uпит до значения на несколько вольт выше -Uпит. Таким образом, все сигналы в диапазоне от +Uпит до -Uпит проходят через двухполюсник с малым сопротивлением (рис. 4). При переключении управляющего сигнала на низкий уровень, напряжение на затворе n-канального транзистора VТ2 устанавливается близким к -Uпит, а напряжение на затворе p-канального транзистора VТ1 устанавливается близким к +Uпит. Тогда, при -Uпит < Uвх < +Uпит, оба транзистора заперты, и цепь коммутатора разомкнута. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от низкого напряжения питания ключа до высокого напряжения его питания. Эта схема работает в двух направлениях — любой ее зажим может служить входным. Она является основой практически для всех ИМС аналоговых коммутаторов, выпускаемых в настоящее время.

Читайте так же:
Что можно сделать с пистонами

Каталог радиолюбительских схем

Многие начинающие радиолюбители избегают применения в своих конструкциях полевых транзисторов (ПТ). Поясним их работу.

Если у биполярных транзисторов («би» — два) электрический ток образуют электрические заряды положительной и отрицательной полярностей, то в полевых транзисторах током между двумя электродами управляет электрическое поле, создаваемое напряжением на третьем электроде. Отсюда и название этого транзистора — полевой. Исток и сток — это электроды, между которыми протекает управляемый ток. При этом название электродов соответствует назначению: исток — из которого выходят (истекают) носители заряда, управляющий электрод называют затвором. Каналом называют токопроводящий участок полупроводникового материала между стоком и истоком, поэтому ПТ называют также и канальными. Изменение напряжения на затворе ПТ (относительно истока) приводит к изменению сопротивления канала, естественно, изменяется и ток через него.

В зависимости от типа носителей заряда различают ПТ с n-каналом или р-каналом. Для n-канала ток обусловлен движением электронов, для р-канала — движением дырок. Из-за этой особенности ПТ называют еще униполярными. Слово обозначает то, что в ПТ ток образован только носителями одного знака; это и есть основное отличие ПТ от биполярных.

ПТ изготовляют в основном из кремния, более высокочастотные — из арсенида галлия. Поскольку управление током в выходной цепи осуществляется входным напряжением, то и входные токи ПТ очень малы, поэтому параметры и характеристики ПТ существенно отличаются от биполярных транзисторов.

Вот лишь несколько преимуществ ПТ по сравнению с биполярными: высокое входное сопротивление по постоянному току на низких и высоких частотах, а значит, и высокий КПД по цепям управления; очень хорошая развязка входных и выходных цепей (малая проходная емкость); высокое быстродействие; высокая температурная стабильность. В настоящее время выпускают большое количество разнообразных типов ПТ.

По технологии изготовления и принципу действия ПТ подразделяют на две группы: 1 — ПТ с управляющим p-n-переходом и барьером Шоттки (ПТУП); 2 — ПТ с изолированным затвором (ПТИЗ). Последние имеют некоторые технологически особенности по сравнению с ПТУП. В электрическом отношении в ПТИЗ затвор отделен от канала слоем диэлектрика. Такой ПТ состоит из пластины полупроводника (подложки), в которой созданы две области с противоположным типом электропроводности (на этих областях нанесены электроды — исток и сток). Поэтому ПТИЗ часто называют МДП-транзисторами (металл-диэлектрик-полупроводник) или МОП-транзисторами (металл-оксид-полупроводник). МДП (МОП)-транзисторы подразделяют на ПТ с индуцированным каналом (ПТИК) и со встроенным каналом (ПТВК).

Читайте так же:
Микросхема lm339n и ее применение схема

В ПТИК заметный ток стока появляется только при определенной полярности и при определенном напряжении на затворе относительно истока (отрицательного для р-канала и положительного для n-канала). Это напряжение называют пороговым (Uз.и. порог), т.е. ПТИК нормально находятся в закрытом состоянии (ток стока отсутствует), например, мощные ПТ типа КП922 с каналом n-типа. У этих транзисторов пороговое напряжение положительное (относительно истока) и находится в пределах 2-8 В. Практически все экземпляры, которые я использовал, имели намного меньший диапазон — от 4 до 6 В, что, безусловно, намного удобнее при использовании ПТ в различных схемах. На сток транзистора с р-каналом подают отрицательный по отношению к истоку потенциал, а с n-каналом — положительный. Хорошо запоминается это по направлению стрелок в графическом изображении ПТ. Когда направление стрелок указывает во внутрь транзистора, то это означает n-тип (плюс питания подают на сток), и наоборот, если стрелка указывает от центра кружка, то это р-тип (на стоке должен быть минус питающего напряжения).

Рассмотрим графическое обозначение ПТ (рис.1),

npt01-1.jpg
рис. 1

где а — с управляющим p-n-переходом и p-каналом;
б — с управляющим p-n-переходом и n-каналом;
в -с изолированным затвором обедненного типа и с p-каналом;
г — с изолированным затвором обедненного типа и с n-каналом;
д — с изолированным затвором обогащенного типа и с p-каналом;
е — с изолированным затвором обогащенного типа и с n-каналом;
ж — МДП-тетрод с каналом n-типа

(технологическое соединение подложки с истоком;
3 — затвор;
С — сток;
И — исток;
П — подложка).

МДП-тетрод (рис.1, ж) можно представить в виде двух последовательно соединенных МДП-транзисторов, как это и показано на рис.2.

npt01-2.jpg
рис. 2

Управляющим является первый затвор, второй затвор называют экранным. Действуя как электростатический экран, второй затвор уменьшает проходную емкость прибора. А уменьшение емкости повышает коэффициент устойчивого усиления усилительного каскада на высоких частотах. Кроме того, двухзатворный прибор позволяет существенно упростить конструирование смесительных схем.

Основное отличие МОП-транзисторов от ПТ с p-n-переходом состоит в том, что они могут хорошо работать лишь при запирающем напряжении затвора (режим обеднения). У ПТ с р-п-переходом изменение полярности напряжения смещения на затворе приводит к отпиранию перехода и резкому снижению входного сопротивления транзистора (например, КП103, КП303 и др.). К сожалению, в радиолюбительской литературе не делают различия между особенностями МОП-транзисторов и ПТ с р-п-переходом. Поэтому при использовании МОП-транзисторов необходимо учитывать ряд факторов и более строго подходить к их режимам работы. При этом следует вспомнить о преимуществах МОП-транзисторов перед ПТ с p-n-переходом. Например, наличие изолированного затвора позволяет увеличить входное сопротивление, по крайней мере, в 1000 раз(!) по сравнению с входным сопротивлением ПТ с p-n-переходом, доведя его до . 10 Ом. Емкости затвора истока становятся значительно меньше и обычно не превышают 1-2 пФ. Предельная частота МОП-транзисторов может достигать 700-1000 МГц, т.е., по крайней мере, в 10 раз выше, чем у обычных ПТУП. Одной из характерных особенностей МОП-транзисторов, впрочем, так же, как и подавляющего большинства ПТ с р-п-пе-реходом, является их симметричность, т.е. взаимозаменяемость выводов (электродов). Это означает, что выводы истока и стока без ухудшения усилительных свойств этих ПТ можно включать таким образом, что исток будет стоком и наоборот. Такое включение ПТ называют инверсным.

Читайте так же:
Хром на пластик в домашних условиях

Для понимания принципа действия ПТУП обратимся к рис.3,

npt01-3.jpg
рис. 3

на котором изображены проходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) ПТУП с каналом n- и р-типов проводимости, т.е. зависимость тока стока Ic от напряжения на затворе (Uз.и) при неизмененном напряжении на стоке (Uс.и=const). Зная некоторые теоретические особенности работы ПТ, можно смело «внедряться» в любые схемы. Из рис.3 видно, что ПТУП работают в режиме обеднения (уменьшение тока стока от максимальной величины — справочный к.нач — до минимальной, независимо от типа проводимости.

Выходные ВАХ ПТ изображены на рис.4,

npt01-4.jpg
рис. 4

из которого видно, что в семействе этих характеристик можно выделить три области:
1 — линейную (изменение тока стока пропорционально изменению напряжения на стоке;
2 — насыщения (ток стока слабо зависит от напряжения на стоке);
3 — пробоя (ток стока резко возрастает при малых изменениях напряжения на стоке).
Поэтому следует избегать использования ПТ в режимах, близких к области пробоя во избежание выхода из строя ПТ, так, для отличных усилительных свойств ПТ рабочая точка должна находиться посредине наиболее протяженного участка линейной характеристики усиления ПТ. В предварительных каскадах усилительный каскад работает в классе «А» как наиболее линейном. В выходных каскадах это реализовать также можно, правда, со значительным ухудшением КПД. Выходные (стоковые) ВАХ большинства ПТ подобны, поэтому остановимся на сток-затворных характеристиках ПТИК (рис.5)

npt01-5.jpg
рис. 5

npt01-6.jpg
рис. 6

Существенное отличие характеристик ПТВК (рис.6) обусловлено его способностью работать как в режиме обогащения, так и в режиме обеднения, поскольку ток стока такого ПТ не равен нулю при нулевом (относительно истока) напряжении на затворе. Проще говоря, током стока ПТВК можно управлять, изменяя значение и полярность напряжения между затвором и истоком. У МДП-транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на ВАХ, а значит, и на параметры ПТ. Поэтому подложку иногда технологически соединяют с корпусом прибора, как это сделано, например, в ПТ типа КП301, 304, 305, а в КП306 подложка соединена не с корпусом, а с истоком.

В табл.1 приведены структура ПТ, режимы работы и полярность напряжений на электродах относительно истока.

Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе

Для корректной функциональности многих электротехнических устройств необходимо поддержание определенных рабочих параметров сети питания. Выход напряжения за границы нормированного диапазона сопровождается ухудшением КПД. Импульсные помехи провоцируют сбои. Исправить ситуацию поможет стабилизатор тока на полевом транзисторе схема которого представлена в этой публикации.

Мощный блок питания на полевом транзисторе

Принцип стабилизации тока

Целевое назначение специальной схемы – регулирование источника питания в автоматическом режиме для поддержания стабильных параметров цепей нагрузки. Основной компонент – достаточно мощный полупроводниковый прибор, ограничитель силы тока на выходе блока питания.

Требования к управляющему элементу

Критерии выбора можно сформулировать, если известны параметры силы тока (ампер). Однако даже без конкретного технического задания несложно перечислить базовые требования:

  • ток в контрольной цепи поддерживается с определенной точностью;
  • следует компенсировать перепады потребляемой мощности;
  • корректирующие изменения должны выполняться достаточно быстро;
  • для автоматической настройки оптимального режима и улучшения защиты от помех нужна организация обратной связи.
Читайте так же:
Рашпиль по дереву для дрели

Суть стабилизации

Для уточнения функциональности управляющего элемента необходимо отметить особенности типичной нагрузки. Интенсивность излучения светодиода, например, существенно зависит от температуры в процессе эксплуатации. Соответствующим образом изменяется мощность потребления. При увеличении тока уменьшается напряжение.

Важно! Если установить обратную связь (отрицательную), отмеченное изменение будет регулировать рабочий режим управляющего устройства. В частности, при увеличении напряжения между затвором и стоком полевого транзистора ток через исток уменьшается. Тем самым без иных дополнительных действий обеспечивается стабилизация выходных параметров источника.

Выбор схемы включения

На практике применяют разные инженерные решения. В частности, для подключения светодиодных светильников производители предлагают импульсные источники питания. Эти устройства выполняют свои функции с помощью частотного преобразования и модуляции сигнала. Для управления ключом устанавливают микросхемы. Для дозированного накопления энергии используют дроссель.

Импульсный стабилизатор тока

Для упрощения в данной статье рассмотрена линейная стабилизация. Устройства, созданные по этой схеме, не создают сильные электромагнитные помехи. В этом – главное отличие от импульсных аналогов.

Работа стабилизаторов тока

Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории подразумевает разумную стоимость. При выборе такого варианта нетрудно изучить рабочие режимы, особенности настройки.

Особенности полевых структур

В радиотехнических приборах этого типа p-n переходы расположены особым образом. Для регулировки прохождения тока через центральный канал изменяются напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разницу потенциалов создают на стоке и затворе.

Принцип действия полевого и биполярного транзисторов

На рисунке показаны принципиальные отличия, по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры управляющий ток отсутствует, а входное сопротивление становится значительно больше. При такой схеме прибор потребляет минимум энергии, но не способен обеспечить усиление сигнала. Впрочем, для решения обозначенной задачи (стабилизации) увеличивать напряжение не нужно.

Принцип управления переходом

В области между зонами р типа формируется канал. Для прохождения тока создается разница потенциалов «сток-исток». Управляют переходом изменением напряжения «затвор-исток» – Uзи.

Устройство и работа полевого транзистора

Для изучения функциональности полевого транзистора можно рассмотреть две схемы подключения. В первом варианте соединяют исток и затвор проводником, выравнивая соответствующий потенциал: Uзи= 0. Повышением напряжения Uси (сток-исток) обеспечивают прохождение тока в рабочей зоне.

Напряжение равно нулю

В показанном на рисунке состоянии прибор функционирует как типичный проводник. Специфическое название на графике «Омическая область» определяет зону пропорционального увеличения силы тока по мере увеличения разницы потенциалов. При переходе в режим насыщения количества свободных зарядов недостаточно для поддержания отмеченного изменения.

Уменьшение потенциала на затворе

На этом рисунке канал прохождения зарядов сужают дополнительным источником питания, который уменьшает Uзи<0. На определенном уровне (напряжение отсечки) ток не проходит.

Устройство полевого транзистора

На рисунке показаны зоны p и n типа. Регулировкой напряжения Uси изменяют сопротивления канала (силу тока). Как показано выше, при необходимости можно закрыть эту цепь.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

В идеальном примере источник питания обеспечивает стабильность тока, если электрическое сопротивление цепи нагрузки меняется от нуля (КЗ) до бесконечности. Однако в действительности рабочие параметры проводимости (напряжения) ограничены определенным диапазоном. Схема на полевом транзисторе с последовательным подключением к зарядному устройству, солнечной батарее или другому «реальному» источнику обеспечит поддержание тока в линии на заданном уровне.

Читайте так же:
Схема подключения амперметра в зарядном устройстве

Пример стабилизатора на полевом транзисторе

При создании радиотехнических устройств с применением ламп типовой анодный блок питания не обеспечивает необходимую стабильность выходных параметров. Добавление резистора в цепь увеличивает потери, не позволяет точно корректировать изменение мощности в нагрузке.

Электрическая схема простого стабилизатора

Своими руками несложно собрать этот стабилизатор тока на полевом транзисторе. С его помощью обеспечивается точность заданных параметров в диапазоне не более 6% от номинала.

Видео

Управление затвором полевого транзистора

В большинстве схем самодельных генераторов высокого напряжения для электростатической коптильни используется полевой транзистор, но к сожалению управление его затвором часто организовано неправильно.

Речь пойдёт о схемах высоковольтных источников напряжения для получения электростатики, их мощность как правило не превышает 7 ватт – большего и не нужно. Хотя небольшая мощность источников позволяет достаточно вольно обходиться с выбором применяемых компонентов, для успешного построения рабочего блока требуется соблюдение некоторых правил, некоторые из которых мы и рассмотрим.

Для начала возьмем любую типовую схему на достаточно древнем чипе UC384x, стоит он копейки, есть в любом ларьке, имеет минимальную обвязку и неплохой ток выходного каскада в 1 Ампер. Рассмотрим выходной каскад:

В выходном каскаде мы видим диод, как правило это 1n4148: с помощью него идёт разряд затвора и резистор Rg, через который происходит заряд. Сделаем резистор Rg равным 12 Ом и посмотрим осциллограммы:

Здесь и далее цена клетки 2v/200ns, красный щуп на выходе чипа а желтый непосредственно на гейте, транзистор IRF3710. Затвор достаточно тяжелый: Qg = 130nC. Открытие транзистора происходит достаточно шустро, управляющий чип даёт нужный ток а закрытию помогает диод. Особых нареканий всё это не вызывает.

Теперь заменим резистор Rg с 12 на 100 Ом:

Картина стала значительно хуже: время увеличилось в несколько раз, так делать не стоит. Теперь посмотрим работу с таймером 555, фото макетки выше, схема выходного каскада ниже:

Резистор Rg сделаем равным 100 Ом, диод ставить не будем. Почему это плохо:

Время открытия и закрытия затянуто: в таком режиме работы транзистор перегреется даже на небольших мощностях.

Поставим резистор Rg 12 Ом:

Несмотря на всего 200мА тока, который даёт выходной каскад чипа NE555, транзистор открывается неплохо, для быстрого закрытия параллельно резистору Rg требуется диод как на вышеприведенной схеме.

Как сделать совсем хорошо? Для этого нам потребуется комплементарная пара биполярных транзисторов, из которых мы соберем примитивный драйвер. Транзисторы рекомендую SS8050 и SS8550, имея ток коллектора 1,5 Ампер они с избытком покроют все наши потребности, посмотрим схему:

Плёночный или керамический конденсатор С1 – 1-2u, равно как и резистор Rp – 5-10k можно не ставить, но правильнее что б они были. Резистор Rg – 1 Ом, Rb – 47-100 Ом. Запустим схему:

Бинго! Так и нужно дёргать полевик, несколько деталей общей ценой до 50 рублей заменили полноценный драйвер, который кстати стоит примерно так же 🙂

Дополнительно снял видеоролик в котором так же отражены некоторые нюансы управление полевым транзистором:

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector