Mpk-prometey.ru

МПК Прометей
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Управление затвором полевого транзистора

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:

Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Если нужно использовать транзистор в качестве «реле», то есть чтоб он или был полностью открыт, или полностью закрыт (не проводил ток совсем), лучше всего подключить его в конфигурации с общим эмиттером (если это биполярный транзистор) или с общим истоком, если используем полевой МОП-транзистор. В зависимости от того как требуется управлять нагрузкой и надо выбрать соответствующий транзистор:

  • NPN (биполярный) или с каналом N-типа (MOSFET), если отрицательный кабель должен быть отключен, а положительный — подключен постоянно,
  • PNP (биполярный) или с каналом P-типа (MOSFET), если положительный кабель должен быть отключен, а отрицательный подключен постоянно.

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

  • выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
  • ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 — 20 В — подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это — подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов — если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

Читайте так же:
Устройство концевого выключателя двери автомобиля

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 — 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER — UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

  • Icmax — максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
  • bMIN — минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
  • USTER — базовое управляющее напряжение от цепи управления.
  • UBE — напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
  • k — коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль — ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 — 100 Ом.

Биполярный транзистор или полевой

Когда следует выбирать биполярный транзистор, а когда — полевой МОП-транзистор? В подавляющем большинстве устройств MOSFET победит — у него низкие потери мощности. Биполярный же транзистор стоит рассмотреть при низком управляющем напряжении (например, 1,8 В).

В схемах с биполярными транзисторами резисторы R1 подключались непосредственно рядом с управляющим выходом, а в случае полевых МОП-транзисторов — между затвором и истоком. В связи с этим они не принимают базовый ток биполярных транзисторов, необходимый для их надлежащего насыщения. С другой стороны, в случае полевых МОП-транзисторов резисторы R1 не оказывают такого большого влияния на их работу, потому что сопротивления R1 и R3 существенно различаются, R1 больше R3.

Далее приведены 4 примера управления Arduino нагрузкой, потребляющей ток до 0,5 А. Все питаются от 5 В.

Если данная нагрузка включает в себя катушку или двигатель, соответствующий защитный диод должен быть обязательно подключен параллельно к ней. Это защитит транзистор от повреждения во время его выключения при возникновении перенапряжения на индуктивности.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм — 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 — 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 — 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Читайте так же:
Электрический автоматический выключатель ekf

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Ещё одна проблема возникнет только с транзисторами с каналом P-типа. Для их выключения необходимо довести напряжение затвор-исток до нуля, что предполагает уравнивание потенциала затвора с потенциалом истока. Следовательно, в такой схеме транзисторный исток может быть подключен к тому же напряжению, от которого запитан микроконтроллер, то есть 5 В. Управление транзистором (отключение) будет некорректным, если напряжение затвор-исток слишком сильно отличается от нуля.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример — TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

Класс A — схема самодельного УМЗЧ высокого качества на полевых MOSFET транзисторах.

Предусилитель со стерео темброблоком для усилителя мощности, собранный на ОУ 4558.

Волновое управление, двухфазное и способ регулирования тока в обмотках шаговых двигателей.

Сенсорный выключатель полевой транзистор

При конструировании радиоэлектронных устройств нередко возникает ситуация, когда сенсорное управление более предпочтительно, чем использование обычных кнопок или выключателей. Если прибор предполагается использовать в помещении, где за счет сетевой электропроводки присутствует электромагнитное поле, то обычная кнопка с сенсорным управлением может быть собрана по схеме, представленной на рис. 1.

При прикосновении к сенсору Е1 на затворе полевого транзистора VT1, включенного по схеме коммутатора, появляется наведенное напряжение и он открывается, включая реле К1. Использование транзистора КП501 (А, Б, В) позволяет сделать конструкцию максимально упрощенной, поскольку он выдерживает ток до 180 мА при напряжении сток/исток до 200 В и оснащен защитным диодом в цепи затвора. Поскольку наведенное на сенсор через тело оператора напряжение имеет частоту и форму сети (синусоида 50 Гц), для предотвращения дребезга реле оно зашунтировано конденсатором С2 (тип К50-29В) относительно большой емкости.

Таким образом нагрузка будет надежно включена на все время, пока оператор касается сенсора Е1. Конденсатор С1 предназначен для подавления импульсных помех и ложного срабатывания выключателя, чувствительность регулируется изменением номинала резистора R1. Реле можно использовать любого типа с соответствующими группами контактов и током срабатывания не более 150 мА, при этом напряжение питания конструкции соответствует значению напряжения срабатывания (6…27 В).

Несколько доработав схему и добавив еще один ключ и поляризованное реле, несложно собрать переключатель (рис.2). Здесь при касании сенсора Е1 нагрузка будет включаться, а при касании сенсора Е2 – выключаться. В режиме ожидания (при отсутствии касания сенсоров) реле обесточено, и конструкция потребляет минимальный ток. Назначение всех элементов схемы аналогичное предыдущей конструкции, диоды VD1 и VD2 предотвращают пробой транзисторов обратным напряжением самоиндукции обмоток реле во время переключения.

Следующая схема (рис.3) позволяет зафиксировать включение нагрузки на некоторое время после кратковременного касания сенсора. Здесь левая часть схемы представляет собой сенсорную кнопку, включающую реле, а отключает его таймер (С2, VD3, R3, R4), который запускается дополнительной группой контактов реле РПС32Б. Светодиод HL1 – индикатор включения нагрузки.

Читайте так же:
Установка электрических выключателей для скрытой проводки

Все приведенные выше схемы могут работать только в том случае, если используются в помещениях, поскольку срабатывают от сетевой наводки на тело оператора. Если предполагается использовать устройство в полевых условиях, то сенсорную кнопку можно собрать по схеме, приведенной на рис.4. Здесь полевой транзистор открывается не наведенным на затвор сигналом, а благодаря сопротивлению участка кожи, замыкающего сенсоры Е1 между собой.

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:
Ttp223b модуль сенсорный выключатель

Применение полевого транзистора

Полевые транзисторы используют как аналоговые выключатели. Применение их как выключателей в аналоговых схемах является прямым следствием их способа работы. Это обусловлено тем обстоятельством, что когда напряжение на затворе-источнике, VGS равно нулю, n-канал транзистора будет работать в области насыщения и будет действовать почти как небольшая схема.

Таким образом, напряжение на выходе будет равно нулю (Рисунок 1). С другой стороны, если отрицательное напряжение находится между выводами затвора и источника i.e., если VGS отрицательно, то транзистор работает в области выключения или в области отсечки.

Это означает, что в данном случае полевой транзистор действует как открытая схема и ток стока, ID будет равен нулю. Вследствие этого, напряжение через загрузочное сопротивление RD будет равно нулю, что порождает то обстоятельство, что VDD похоже на V0.

Применение полевого транзистора

Рисунок 1 Полевой транзистор как аналоговый выключатель

Это свойство вести себя как выключатель может быть использовано для проектирования аналогового мультиплексора, как показано на рисунке 2.

Применение полевого транзистора

Рисунок 2 n-к-1 Мультиплексор, использующий полевые транзисторы.

Тут каждый из сигналов на входе (сигнал 1, сигнал 2, … сигнал n) проходит через выделенный полевой транзистор с управляющим p-n-переходом (T1, T2, … Tn) перед контактом с выводом выхода, V0. Тут лишь один сигнал среди множества сигналов на входе возникает на выводе выхода, в зависимости от напряжения VGS на выводах затвора.

К примеру, если VGS2 отрицательное, в то время как все остальные VGS равны нулю, то сигнал на выходе будет Сигналом 2. Более того, способность к выключению у биполярных транзисторов с изолированным затвором используется в двигателе внутреннего сгорания, а именно в обмотках, ответственных за возгорание, которые требуют быстрого выключения и возможностей блокировки напряжения.

Усилители

Переход в полевых транзисторах используется на стадии усиления. Он изолирует предыдущую стадию от следующей стадии и, таким образом, действует как буферные усилители (Рисунок 3). Это обусловлено тем, что такие транзисторы имеют очень высокое полное сопротивление на входе, в силу чего предыдущая стадия будет слегка загружена, вызывая полный выход Стадии 1, возникая на входе буфера.

Можно сделать так, что весь выход буфера будет возникать на входе в Стадии 2, используя данные транзисторы в конфигурации общего стока, благодаря низкому полному сопротивлению на выходе. Это даже значит, что буферные усилители способны к управлению большими нагрузками или сопротивлениями с небольшой нагрузкой.

Читайте так же:
Проходной выключатель с радиоуправлением

Применение полевого транзистора

Рисунок 3 Полевой транзистор как буферный усилитель

Полевые транзисторы являются устройствами, которые издают мало шума, по крайней мере, если сравнивать их с биполярными плоскостными транзисторами. Это делает их полезными компонентами для использования в качестве усилителя на приёмниках с внешним интерфейсом, ведь они нуждаются в минимальном уровне шума на выходе в итоге.

Стоит также отметить, что полевые транзисторы являются устройствами с контролируемым напряжением, что делает их идеальными для использования в качестве усилителей для радио частот. Причина этого в том, что за исключением усилителя для радио частот откликаются достаточно хорошо, даже когда антенны в конце приёмника принимают недельные сигналы (сигналы с очень низким током).

Полевой транзистор как усилитель в конфигурации общего источника может быть использован для управления другим полевым транзистором (усилителем) в конфигурации общего затвора, формируя каскадный усилитель, как показано на рисунке 4.

Хотя коэффициент усиления каскадного усилителя такой же, как и у усилителя в конфигурации с общим источником, его ёмкостное сопротивление на входе весьма низкое, если сравнивать с ним же у усилителя в конфигурации с общим источником. Более того, каскадный усилитель даёт очень высокое сопротивление на входе.

Применение полевого транзистора

Генератор с фазовращателем

Полевой транзистор даёт высокое полное сопротивление на своих выводах входа, которое уменьшает эффект нагрузки. Также они могут использоваться как для усиления, так и для функций обратной связи. Эта особенность полевых транзисторов делает их подходящими для использования в схемах генераторов с фазовращателем, как показано на рисунке 5.

Применение полевого транзистора

Рисунок 5 Полевой транзистор как генератор с фазовращателем

Модулятор

Полевой транзистор, действующий как выключатель, может быть использован как модулятор (Рисунок 6), где напряжение постоянного тока, VDS преобразуется в напряжение переменного тока с таким же уровнем амплитуды, VAC. Это вытекает из того, что квадратная форма волны напряжения используется как VGS, в результате чего транзистор действует в области выключения и в области насыщения, попеременно. Такие схемы модулятора помогают преодолеть проблему смещения, которая существует в случае усилителей с непосредственной связью.

Применение полевого транзистора

Рисунок 6 Полевой транзистор как модулятор

Ограничитель тока

N-канальный полевой транзистор, чей терминал затвора укорочен вместе с выводом источника, действует как ограничитель тока. Это означает, что в этом размещении, полевой транзистор даёт току проходить через них, чтобы достигнуть только определённого уровня, после чего, он становится удерживаемой постоянной, безотносительной к колебаниям уровня напряжения. Эти ограничители тока из интегральной части не изменяющегося постоянного тока или стабилизирующих диодов.

Применение полевого транзистора

Рисунок 6 Полевой транзистор как ограничитель тока

Полевые транзисторы широко используются в интегрированных схемах из-за их компактного размера. Они используются в схемах микшеров для телевизоров и радиоприемников из-за низких модуляционных искажений. Более того, полевые транзисторы также применяют в резисторах с переменным напряжением в операционных усилителях, схемах контроля звука, ведь они обеспечивают большую изоляцию между их выводами затвора и стока. Полевые транзисторы применяются в таких областях как цифровая электроника и оптоволоконные системы.

Пора подвести итоги: полевой транзистор может использоваться как аналоговый выключатель, как усилитель, как генератор с фазовращателем, как модулятор и как ограничитель тока. Каждый вариант имеет свои особенности, делающие его действительно значимым.

Вряд ли можно переоценить роль полевого транзистора в повседневной жизни. Все перечисленные пять способов его применения имеют очень существенное значение в наши дни. Сложно выделить какое-то наиболее значимое использование среди названных, ведь каждое может оказаться где-то просто незаменимым.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector