kategória: Najlepšie články » Praktická elektronika
Počet zobrazení: 174 150
Komentáre k článku: 6
Tranzistory s poľným efektom: princíp činnosti, obvody, prevádzkové režimy a modelovanie
Už sme skontrolovali zariadenie bipolárnych tranzistorov a ich prácaTeraz zistime, čo sú tranzistory s poľným efektom. Tranzistory s poľným efektom sú veľmi bežné v starých aj moderných obvodoch. V súčasnosti sa zariadenia s izolovanou bránou používajú vo väčšej miere, dnes hovoríme o typoch tranzistorov s poľným efektom a ich vlastnostiach. V článku urobím porovnanie s bipolárnymi tranzistormi na samostatných miestach.
definícia
Tranzistor s poľným efektom je polovodičový plne ovládateľný kľúč ovládaný elektrickým poľom. To je hlavný rozdiel z hľadiska praxe od bipolárnych tranzistorov, ktoré sú riadené prúdom. Elektrické pole je tvorené napätím privádzaným do hradla vzhľadom na zdroj. Polarita riadiaceho napätia závisí od typu tranzistorového kanála. Existuje dobrá analógia s elektronickými vákuovými trubicami.
Iný názov pre tranzistory s poľným efektom je unipolárny. „UNO“ znamená jeden. V tranzistoroch s poľným efektom je prúd v závislosti od typu kanála uskutočňovaný iba jedným typom nosiča pomocou otvorov alebo elektrónov. V bipolárnych tranzistoroch bol prúd vytvorený z dvoch typov nosičov náboja - elektrónov a dier, bez ohľadu na typ zariadení. Tranzistory s poľným účinkom sa vo všeobecnosti dajú rozdeliť na:
-
tranzistory s riadením pn;
-
izolované hradlové tranzistory.
Obidva môžu byť n-kanálové a p-kanálové, na bránu prvého člena musí byť privedené kladné kontrolné napätie, aby sa otvoril kľúč, a druhé miesto, záporné vzhľadom na zdroj.
Všetky typy tranzistorov s poľným efektom majú tri výstupy (niekedy 4, ale zriedka som sa stretol iba v sovietskej a bolo to spojené s prípadom).
1. Zdroj (zdroj nosiča, bipolárny emitorový analóg).
2. Stoke (zdroj nosičov náboja zo zdroja, analóg kolektora bipolárneho tranzistora).
3. Uzávierka (kontrolná elektróda, analóg mriežky na žiarovkách a základniach bipolárnych tranzistorov).
Tranzistor PN Tranzistor
Tranzistor pozostáva z nasledujúcich oblastí:
1. kanál;
2. Zásoby;
3. zdroj;
4. Uzávierka.
Na obrázku vidíte schematickú štruktúru takého tranzistora, zistenia sú spojené s metalizovanými časťami brány, zdroja a odtoku. V špecifickom obvode (toto je zariadenie s p-kanálom) je bránou n-vrstva, má menšiu rezistenciu ako kanálová oblasť (p-vrstva) a p-n spojovacia oblasť je preto z tohto dôvodu vzdialenejšia v p-oblasti.
Podmienené grafické označenie:
a - tranzistor typu N s poľným efektom, b - tranzistor typu p s poľným efektom
Na ľahšie zapamätanie si zapamätajte označenie diódy, kde šípka ukazuje z oblasti p na oblasť n. Aj tu.
Prvým stavom je pripojenie externého napätia.
Ak je na taký tranzistor privedené napätie, je to plus do odtoku a mínus na zdroj, pretečie ním veľký prúd, bude obmedzený iba kanálovým odporom, vonkajšími odpormi a vnútorným odporom zdroja energie. Môžete si nakresliť analógiu s bežne zatvoreným kľúčom. Tento prúd sa nazýva Istart alebo počiatočný odtokový prúd na nás = 0.
Tranzistor s poľným efektom s ovládaním spojenia pn, bez privedeného riadiaceho napätia na hradlo, je čo najotvorenejší.
Napätie na odtok a zdroj sa privádza týmto spôsobom:
Hlavné nosiče poplatkov sú zavedené prostredníctvom zdroja!
To znamená, že ak je tranzistor p-kanálom, potom je kladný výstup zdroja energie pripojený k zdroju, pretože hlavné nosiče sú diery (kladné nábojové nosiče) - jedná sa o takzvanú vodivosť dier.Ak je n-kanálový tranzistor pripojený k zdroju, záporný výstup zdroja energie, pretože v tom sú hlavnými nosičmi náboja elektróny (záporné náboje).
Zdroj je zdrojom hlavných nosičov náboja.
Tu sú výsledky modelovania takejto situácie. Vľavo je p-kanál a napravo n-kanálový tranzistor.
Druhý stav - na uzávierku pripojte napätie
Keď je na hradlo privedené kladné napätie vzhľadom na zdroj (Us) pre p-kanál a záporné pre n-kanál, posúva sa v opačnom smere, spojovacia oblasť p-n sa rozširuje smerom k kanálu. V dôsledku toho sa šírka kanála zmenší, prúd sa zníži. Napätie hradla, pri ktorom prúd prestane prúdiť cez kľúč, sa nazýva medzné napätie.
Kľúč sa začne zatvárať.
Dosiahne sa vypínacie napätie a kľúč je úplne zatvorený. Obrázok s výsledkami simulácie ukazuje taký stav pre tlačidlá p-kanál (ľavý) a n-kanál (pravý). Mimochodom, v angličtine sa taký tranzistor nazýva JFET.
Prevádzkové režimy
Prevádzkový režim tranzistora s napätím Uзи je buď nulový, alebo reverzný. Kvôli spätnému napätiu môžete „zakryť tranzistor“, používa sa v zosilňovačoch triedy A a ďalších obvodoch, kde je potrebná plynulá regulácia.
K cutoff režimu dôjde, keď je Uzi = C cutoff pre každý tranzistor odlišný, ale v každom prípade je aplikovaný v opačnom smere.
Charakteristiky, CVC
Výstupnou charakteristikou je graf, ktorý zobrazuje závislosť odtokového prúdu na Uci (aplikovaný na svorky odtoku a zdroja) pri rôznych hradlových napätiach.
Dá sa rozdeliť do troch oblastí. Na začiatku (na ľavej strane grafu) vidíme ohmickú oblasť - v tomto intervale sa tranzistor správa ako odpor, prúd stúpa takmer lineárne, dosahuje určitú úroveň, prechádza do oblasti saturácie (v strede grafu).
V pravej časti grafu vidíme, že prúd začína opäť rásť, toto je oblasť rozkladu, tu by sa tranzistor nemal nachádzať. Horná vetva znázornená na obrázku je prúd na nule, vidíme, že prúd je tu najväčší.
Čím vyššie je napätie Uzi, tým nižší je odtokový prúd. Každá vetva sa pri bráne líši o 0,5 voltu. To, čo sme potvrdili modelovaním.
Charakteristika výpustnej brány, t.j. v závislosti od odtokového prúdu na hradlovom napätí pri rovnakom napätí zdroja odtoku (v tomto príklade 10 V) je tu rozstup siete tiež 0,5 V, opäť vidíme, že čím bližšie je napätie Uzi na 0, tým väčší je odtokový prúd.
V bipolárnych tranzistoroch bol taký parameter, ako je súčiniteľ aktuálneho prenosu alebo zisk, bol označený ako B alebo H21e alebo Hfe. V poli sa strmosť používa na zobrazenie schopnosti zvyšovať napätie, čo je označené písmenom S.
S = dl / dU
To znamená, že strmosť ukazuje, koľko miliampérov (alebo ampérov) stúpa odtokový prúd so zvýšením vstupného napájacieho napätia o počet voltov pri nezmenenom napätí odtokového zdroja. Môže sa vypočítať na základe charakteristiky hradlovej brány, v uvedenom príklade je sklon asi 8 mA / V.
Schémy prepínania
Rovnako ako bipolárne tranzistory, existujú tri typické schémy zapojenia:
1. so spoločným zdrojom (a). Používa sa najčastejšie, dáva zisk v prúde a moci.
2. So spoločnou uzávierkou (b). Používa sa zriedka, nízka vstupná impedancia, žiadny zisk.
3. S úplným odtokom (c). Zisk napätia je blízko 1, vstupná impedancia je veľká a výstupná impedancia je nízka. Ďalším menom je sledovateľ zdroja.
Vlastnosti, výhody, nevýhody
-
Hlavnou výhodou tranzistora s efektom poľa vysoká vstupná impedancia, Vstupný odpor je pomer prúdu k napätiu zdroja hradla. Princíp činnosti spočíva v ovládaní pomocou elektrického poľa a vytvára sa pri pripojení napätia. To je tranzistory s poľným efektom.
-
Tranzistor s poľným efektom prakticky nespotrebuje kontrolný prúd, to je znižuje stratu riadenia, skreslenie signálu, aktuálne preťaženie zdroja signálu ...
-
Priemerná frekvencia Tranzistory s poľným efektom fungujú lepšie ako bipolárneTo je spôsobené skutočnosťou, že na "resorpciu" nosičov náboja v oblastiach bipolárneho tranzistora je potrebných menej času. Niektoré moderné bipolárne tranzistory môžu dokonca prekonať poľné tranzistory, a to vďaka použitiu vyspelejších technológií, zmenšeniu šírky základne a ďalšie.
-
Nízka hladina hluku tranzistorov s efektom poľa je spôsobená absenciou procesu vstrekovania náboja, ako v prípade bipolárnych.
-
Stabilita s teplotou.
-
Nízka spotreba energie vo vodivom stave - vyššia účinnosť vašich zariadení.
Najjednoduchším príkladom použitia vysokej vstupnej impedancie je prispôsobenie zariadení na pripojenie elektroakustických gitár s piezo snímačmi a elektrických gitár s elektromagnetickými snímačmi na vstupy linky s nízkou vstupnou impedanciou.
Nízka vstupná impedancia môže spôsobiť pokles vstupného signálu a skreslenie jeho tvaru v rôznej miere v závislosti od frekvencie signálu. To znamená, že sa tomu musíte vyhnúť zavedením kaskády s vysokou vstupnou impedanciou. Toto je najjednoduchšia schéma takéhoto zariadenia. Vhodný na pripojenie elektrických gitár k linkovému vstupu zvukovej karty počítača. Vďaka tomu bude zvuk jasnejší a farba bude bohatšia.
Hlavnou nevýhodou je, že sa také tranzistory boja statickej povahy. Elektrifikovanými rukami môžete vziať prvok a okamžite to zlyhá. Je to dôsledok riadenia kľúča pomocou poľa. Odporúča sa s nimi pracovať v dielektrických rukaviciach, ktoré sú spojené špeciálnym náramkom so zemou, s nízkonapäťovou spájkovacou pájkou s izolovanou špičkou a tranzistorovými vodičmi je možné ich počas inštalácie priviazať pomocou drôtu.
Moderné zariadenia sa toho prakticky nebojí, pretože pri ich vstupe do nich môžu byť zabudované ochranné zariadenia, ako napríklad zenerove diódy, ktoré fungujú pri prekročení napätia.
Niekedy sa začiatočníci rozhlasových amatérov obávajú dostať do bodu absurdity, ako je napríklad nasadenie fóliových uzáverov na hlavu. Všetko, čo je uvedené vyššie, aj keď je to povinné, ale nedodržanie akýchkoľvek podmienok nezaručuje zlyhanie zariadenia.
Izolované tranzistory s efektom poľa poľa
Tento typ tranzistora sa aktívne používa ako polovodičový riadený kľúč. Okrem toho pracujú najčastejšie v kľúčovom režime (dve polohy „zapnuté“ a „vypnuté“). Majú niekoľko mien:
1. MOS tranzistor (kov-dielektrický polovodič).
2. MOS tranzistor (polovodič z oxidu kovu).
3. Tranzistor MOSFET (polovodič z oxidov kovov).
Pamätajte - sú to iba variácie rovnakého mena. Dielektrikum, alebo tiež nazývané oxidom, zohráva úlohu izolátora brány. Na nasledujúcom diagrame je medzi n-oblasťou blízko uzávierky a uzáveru znázornený izolátor vo forme bielej zóny s bodkami. Je vyrobený z oxidu kremičitého.
Dielektrikum eliminuje elektrický kontakt medzi hradlovou elektródou a substrátom. Na rozdiel od kontrolného spoja pn nepracuje na princípe rozširovania spojenia a prekrývania kanála, ale na princípe zmeny koncentrácie nosičov náboja v polovodiči pod vplyvom vonkajšieho elektrického poľa. MOSFETy sú dvoch typov:
1. S integrovaným kanálom.
2. S indukovaným kanálom
Kanálové integrované tranzistory
V diagrame vidíte tranzistor s integrovaným kanálom. Už z toho je možné uhádnuť, že princíp jeho činnosti sa podobá tranzistoru s efektom poľa s kontrolnou p-n križovatkou, t.j. ak je hradlové napätie nula, prúd prepína spínačom.
V blízkosti zdroja a výlevky sa vytvárajú dve oblasti s vysokým obsahom nosičov náboja na nečistoty (n +) so zvýšenou vodivosťou. Substrátom je báza typu P (v tomto prípade).
Pamätajte, že kryštál (substrát) je pripojený k zdroju, je nakreslený na mnohých konvenčných grafických symboloch.Keď sa hradlové napätie zvýši, v kanáli sa vytvorí priečne elektrické pole, odpudzuje nosiče náboja (elektróny) a kanál sa uzavrie, keď sa dosiahne prahová hodnota Uз.
Prevádzkové režimy
Ak je použité záporné napätie hradlového zdroja, odtokový prúd klesá, tranzistor sa začne uzatvárať - to sa nazýva štíhly režim.
Keď je kladné napätie privedené na hradlový zdroj, dochádza k spätnému procesu - elektróny sú priťahované, prúd stúpa. Toto je režim obohatenia.
To všetko platí pre tranzistory MOS s integrovaným kanálom typu N. Ak kanál typu p nahradí všetky slová „elektróny“ za „diery“, polarita napätia sa zmení.
modelovanie
Tranzistor so zabudovaným kanálom typu n s nulovým napätím hradla:
Na uzávierku použijeme -1V. Prúd sa znížil o 20-krát.
Podľa údajového listu tohto tranzistora máme prahové napätie hradlového zdroja v oblasti jedného voltu a jeho typická hodnota je 1,2 V, skontrolujte to.
Prúd sa stal v mikročipoch. Ak trochu zvýšite napätie, úplne zmizne.
Náhodne som si vybral tranzistor a narazil som na pomerne citlivé zariadenie. Pokúsim sa zmeniť polaritu napätia tak, aby brána mala pozitívny potenciál, skontrolujeme režim obohatenia.
Pri hradlovom napätí 1 V sa prúd štyrikrát zvýšil v porovnaní s tým, čo bolo pri 0 V (prvý obrázok v tejto časti). Z toho vyplýva, že na rozdiel od predchádzajúceho typu tranzistorov a bipolárnych tranzistorov môže pracovať tak na zvýšení prúdu, ako aj na znížení bez dodatočného viazania. Toto tvrdenie je veľmi hrubé, ale v prvej aproximácii má právo na existenciu.
charakteristiky
Tu je všetko takmer rovnaké ako v tranzistore s kontrolným prechodom, s výnimkou prítomnosti režimu obohatenia vo výstupnej charakteristike.
Pokiaľ ide o charakteristiku drenážneho uzáveru, je zrejmé, že záporné napätie spôsobuje režim vyčerpania a uzavretia kľúča a kladné napätie na hradle spôsobuje obohatenie a väčšie otvorenie kľúča.
Tranzistory indukované kanálom
MOSFET s indukovaným kanálom nevedú prúd, keď na bráne nie je napätie, alebo skôr, ak je prúd, ale je extrémne malý, pretože je to spätný prúd medzi substrátom a vysoko legovanými oblasťami odtoku a zdroja.
Tranzistor s efektom poľa s izolovanou bránou a indukovaným kanálom je analógom normálne otvoreného spínača, prúd neprúdi.
V prítomnosti vstupného napätia zdroja, napr považujeme n-typ indukovaného kanála, napätie je kladné, záporné nosiče sú priťahované do oblasti brány pôsobením poľa.
Takže existuje „koridor“ pre elektróny zo zdroja do odtoku, takže sa objaví kanál, tranzistor sa otvorí a prúd ním začne prúdiť. Máme substrát typu p, hlavnými v ňom sú kladné nábojové nosiče (diery), veľmi málo negatívnych nosičov, ale pod vplyvom poľa sa oddelia od atómov a začína sa ich pohyb. Preto nedostatok vodivosti pri neprítomnosti napätia.
charakteristiky
Výstupná charakteristika presne opakuje rovnaký rozdiel od tých predchádzajúcich, iba to, že napätie Uz sa stáva kladným.
Charakteristiky blízkej brány ukazujú to isté, opäť rozdiely v napätiach brány.
Pri posudzovaní charakteristík prúdového napätia je mimoriadne dôležité starostlivo sa pozrieť na hodnoty napísané pozdĺž osí.
modelovanie
Na kľúč bolo privedené napätie 12 V a mali sme 0. Na bráne prúd neprelieval tranzistorom.
Pridajte k bráne 1 volt, ale prúd nemyslel, že prúdi ...
Po pridaní jedného voltu som zistil, že súčasný prúd začína rásť zo 4V.
Pridaním ďalšieho 1 voltu sa prúd prudko zvýšil na 1,129 A.
Údajový list uvádza prahové napätie na otvorenie tohto tranzistora v úseku od 2 do 4 voltov a maximum na bráne-brána od -20 do +20 V, ďalšie prírastky napätia nepriniesli výsledky pri 20 voltoch (ja som nemal niekoľko miliampérov Myslím si, že v tomto prípade).
To znamená, že tranzistor by bol úplne otvorený, ak by nebol, prúd v tomto obvode by bol 12/10 = 1,2 A. Neskôr som študoval, ako tento tranzistor funguje, a zistil som, že pri 4 voltoch sa začne otvárať.
Po pridaní 0,1 V som si všimol, že s každou desatinou voltu prúd stúpa stále viac a o 4,6 V je tranzistor takmer úplne otvorený, rozdiel s hradlovým napätím 20 V v odtokovom prúde je iba 41 mA, pri 1,1 A je nezmysel.
Tento experiment odráža skutočnosť, že tranzistor s indukovaným kanálom sa otvára iba pri dosiahnutí prahového napätia, čo mu umožňuje pracovať perfektne ako kľúč v impulzných obvodoch. IRF740 je v skutočnosti jedným z najbežnejších pri spínaní napájacích zdrojov.
Výsledky meraní hradlového prúdu ukázali, že tranzistory s efektom poľa takmer nespotrebujú riadiaci prúd. Pri napätí 4,6 V bol prúd iba 888 nA (nano !!!).
Pri napätí 20 V to bolo 3,55 μA (mikro). Pre bipolárny tranzistor by to bolo rádovo 10 mA v závislosti od zosilnenia, ktoré je desaťtisíce krát viac ako poľné.
Nie všetky kľúče sa otvárajú takým napätím, je to kvôli konštrukcii a vlastnostiam obvodov zariadení, v ktorých sa používajú.
Funkcie použitia kľúčov s izolovanou uzávierkou
Dva vodiče a medzi nimi dielektrikum - čo je to? Jedná sa o tranzistor, samotná brána má parazitickú kapacitu, spomaľuje proces prepínania tranzistora. Toto sa všeobecne nazýva Miller Plateau, táto otázka si zaslúži samostatný seriózny materiál s presným modelovaním pomocou iného softvéru (nekontrolovala túto funkciu v multisim).
Vybitá kapacita v prvom okamihu vyžaduje veľký nabíjací prúd a zriedkavé riadiace zariadenia (radiče PWM a mikrokontroléry) majú silné výstupy, takže používajú ovládače pre poľné uzávery, a to ako v tranzistoroch s poľným efektom, tak aj v IGBT (bipolárny s izolovanou uzávierkou). Je to taký zosilňovač, ktorý prevádza vstupný signál na výstup takej veľkosti a prúdovej sily, ktorý je dostatočný na zapnutie a vypnutie tranzistora. Nabíjací prúd je tiež obmedzený odporom zapojeným do série s bránou.
Súčasne je možné niektoré brány ovládať z portu mikrokontroléra cez odpor (rovnaký IRF740). Dotkli sme sa tejto témy. v materiálovom cykle arduino.
Podmienená grafika
Pripomínajú tranzistory s poľným efektom s riadiacou bránou, ale líšia sa tým, že na UGO, ako v samotnom tranzistore, je brána oddelená od substrátu a šípka v strede označuje typ kanála, ale je nasmerovaná zo substrátu na kanál, ak ide o n-kanálový mosfet - smerom k uzávierke a naopak.
Pre klávesy s indukovaným kanálom:
Mohlo by to vyzerať takto:
Dbajte na anglické názvy záverov, ktoré sú často uvedené v listoch údajov a na diagramoch.
Pre kľúče so zabudovaným kanálom:
Pozri tiež na electro-sk.tomathouse.com
: