что это такое? Конструктивно-технологические особенности

В этой статье будет рассказано о таком элементе, как мосфет. Что это, какими свойствами обладает, для чего используется в современной электронике, будет рассказано ниже. Вы можете встретить два типа силовых транзисторов – MOSFET и IGBT. Они применяются в импульсных преобразователях высокой мощности – инверторах, блоках питания. Стоит рассмотреть все особенности этих элементов.

Основные сведения

Нужно отметить, что IGBT и мосфет транзисторы способны выдать очень большую мощность в нагрузку. При всем при этом устройство окажется очень маленьким по габаритам. Коэффициент полезного действия превышает у транзисторов значения в 95%. У мосфет и IGBT имеется одна общая черта – у них затворы изолированные, следствие этого – похожие параметры управления. Температурный коэффициент отрицательный у этих устройств, что позволяет делать такие транзисторы, которые будут устойчивы к воздействию короткого замыкания. На сегодняшний день мосфеты с нормированным значением времени перегрузки производятся почти всеми фирмами.

Драйверы для управления

Так как нет тока в цепи управления, в статическом режиме можно не использовать стандартные схемы. Разумнее применить специальный драйвер – интегральную схему. Многие фирмы выпускают устройства, которые позволяют управлять одиночными силовыми транзисторами, а также мостами и полумостами (трехфазными и двухфазными). Они могут выполнить различные вспомогательные функции – защитить от токовой перегрузки или КЗ, а также от большого падения напряжения в цепи управления мосфет. Что это за цепь, будет рассказано более детально ниже. Стоит заметить, что падение напряжения в цепи управления силовым транзистором – это очень опасное явление. Мощные мосфеты могут перейти в другой режим работы (линейный), вследствие чего выйдут из строя. Кристалл перегревается и транзистор сгорает.

Режим КЗ

Главная вспомогательная функция драйвера – это защита от токовых перегрузок. Необходимо внимательно посмотреть на работу силового транзистора в одном из режимов – короткого замыкания. Перегрузка по току может возникнуть по любой причине, но наиболее частые – замыкание в нагрузке либо же на корпус. Поэтому следует правильно осуществить управление мосфетами.

Перегрузка происходит из-за определенных особенностей схемы. Возможен переходный процесс либо возникновение тока обратного восстановления полупроводникового диода одного из плеч транзистора. Устранение таких перегрузок происходит схемотехническим методом. Используются цепи формирования траектории (снабберы), осуществляется подбор резистора в затворе, изолируется цепь управления от шины высокого тока и напряжения.

Как включается транзистор при КЗ в нагрузке

Когда в нагрузке происходит КЗ, в коллекторной цепи ток ограничивается определенным напряжением в затворе, а также крутизной характеристик самого транзистора. В цепи питания при этом имеется некоторая емкость, поэтому внутреннее сопротивление самого источника никак не может оказать свое влияние на ток короткого замыкания. Как только происходит включение, в транзисторе плавно начинает происходить наращивание тока благодаря тому, что имеется паразитная индуктивность в коллекторной цепи. Этот же факт является причиной того, что имеется некий провал напряжения.

Ложные срабатывания

После того как переходный процесс завершится, к силовому транзистору будет приложено напряжение питания полностью. А это приведет к тому, что большая мощность будет рассеиваться в полупроводниковом кристалле. Отсюда можно сделать вывод о том, что режим короткого замыкания обязательно необходимо прерывать спустя определенный промежуток времени. Его должно хватить, чтобы исключить ложное срабатывание. Как правило, значение времени лежит в интервале 1…10 мкс. Характеристики транзистора должны быть такими, чтобы он без труда выдерживал эту перегрузку.

КЗ нагрузки при включенном транзисторе

Аналогично со случаем, рассмотренным выше, ток ограничен характеристиками самого транзистора. Он нарастает со скоростью, которая определяется индуктивностью (паразитной). Перед тем как этот ток дойдет до постоянного установившегося значения, начнется возрастание напряжения коллектора. На затворе происходит увеличение напряжения благодаря эффекту Миллера.

Ток на коллекторе увеличивается, причем он может значительно превышать установившееся значение. Именно для этого режима предусмотрено не только то, что отключается канальный мосфет, но и заложена возможность ограничения напряжения.

От напряжения, приложенного к затвору транзистора, зависит напрямую установившийся ток короткого замыкания. Но при снижении напряжения на затворе полупроводникового элемента происходит довольно интересная картина. Напряжение насыщения увеличивается и, как следствие, увеличиваются потери проводимости. Устойчивость транзистора к короткому замыканию тесным образом связана с крутизной его характеристик.

Ток КЗ и коэффициент усиления

Чем выше КУ у мосфетов по току, тем ниже напряжение насыщения. Также они способны выдерживать перегрузки небольшое время. С другой же стороны, полупроводники, которые более устойчивы к воздействию короткого замыкания, обладают очень высоким напряжением насыщения. Потери у них тоже очень существенные.

Большее максимально допустимое значение тока короткого замыкания имеет пионер мосфет, нежели простой биполярный транзистор. Как правило, он в десять раз превышает номинальное значение тока (при условии, что на затворе допустимое напряжение). Большая часть производителей (европейских и азиатских) выпускает транзисторы, которые выдерживают такие нагрузки, причем не повреждаются.

Драйвер защиты от перегрузки верхнего плеча

Существуют различные методы отключения элементов при перегрузке. При помощи драйверов различных производителей можно реализовывать любые защитные функции, причем максимально эффективно. Если возникла перегрузка, необходимо снизить напряжение затвора. В этом случае распознавание аварийного режима увеличивается по времени.

Благодаря этому получается исключить ложные срабатывания схемы защиты. Вот как проверить мосфет: попробуйте изменить значение емкости конденсатора. Если изменится время реакции на КЗ, то вся схема работает правильно. В схеме используется несколько элементов, у которых определенные обязанности. Например, подключенный к выводу драйвера, “ERR”-конденсатор позволяет определить время анализа перегрузок.

Аварийный режим работы

На этот временной промежуток производится включение схемы стабилизации тока в цепи коллектора. Благодаря этому происходит снижение напряжения на затворе полупроводникового элемента. В том случае, если не происходит прекращение перегрузки, транзистор отключается спустя 10 мкс. Защита отключается после того, как будет снят со входа сигнал. Благодаря этому осуществляется триггерная схема защиты.

Когда она применяется, необходимо уделять свое внимание промежутку времени, через которое происходит повторное включение транзистора мосфет. Что это за включение и какие у него особенности? Обратите внимание на то, что это время должно быть больше, чем тепловая постоянная (временная) полупроводникового кристалла, на основе которого изготовлен транзистор.

Недостатки схемы включения

В схеме применяются резисторы, у которых высокая мощность, но у них очень высокая индуктивность (паразитная, за счет использования некоторых материалов и технологий). А для идеального функционирования схемы нужно, чтобы емкость была близка нулю. Резисторы, применяемые для измерений импульсного тока, должны соответствовать вышеизложенному условию. Ко всему прочему резисторы теряют огромную мощность. А это отражается на эффективности всей схемы драйвера верхнего плеча.

Но существуют схемы включения, которые снижают потери мощности. Напряжение насыщения в любом случае зависит от коллекторного тока. Мосфет (что это, рассмотрено в статье) данную зависимость демонстрирует, можно сказать, линейную по причине того, что от тока на стоке транзистора не зависит сопротивление канала (активного). Но у мощных IGBT транзисторов эта зависимость не линейна, но можно без труда выбрать напряжение, которое будет соответствовать необходимому току защиты.

Драйвер трехфазного моста

В таких схемах также применяется резистор для измерений значения тока. Ток защиты определяется при помощи делителя напряжения. Широкую популярность получили драйверы IR2130, которые обеспечивают стабильную работу схемы при напряжении до 600 Вольт. Схема включает в себя транзистор полевого типа, у которого открыт сток (он служит для индикации наличия неисправностей). Устанавливается мосфет на плате при помощи жестких перемычек в качественной изоляции по этим причинам. В нем имеется усилитель, который вырабатывает определенный контрольный и обратной связи сигналы. При помощи драйвера происходит формирование задержки по времени между включениями транзисторов нижнего и верхнего плеч, чтобы исключить появление сквозного тока.

Как правило, в зависимости от модификации, время составляет 0,2…2 мкс. В драйвере IR2130, который используется для реализации схемы защиты, отсутствует функция ограничения максимального значения напряжения на затворе в момент короткого замыкания. При разработке схемы трехфазного плеча необходимо помнить о том, что отключение моста происходит спустя 1 мкс после начала короткого замыкания. Следовательно, ток (в особенности при наличии активной нагрузки) превышает значение, которое было рассчитано. Чтобы сбросить режим защиты и вернуться к рабочему, следует произвести отключение питания драйвера либо же осуществить подачу на его входы запирающего напряжения.

Драйверы нижнего плеча

Чтобы произвести управление транзисторами мосфет нижнего плеча, существуют качественные микросхемы фирмы Motorola, например, МС33153. Этот драйвер особенный, так как его можно с успехом использовать для двух типов защиты (по напряжению и току). Также имеется функция, которая разделяет два режима – перегрузки и короткого замыкания. Имеется возможность подачи некоторого напряжения (отрицательного для управления). Это полезно для случаев, когда необходимо производить управление модулями с высокой мощностью и достаточно большим значением заряда затвора. Отключается режим защиты IGBT (это ближайшие аналоги мосфетов) после того, как напряжение питания падает ниже отметки в 11 Вольт.

Как выбрать mosfet. » Хабстаб

В этой статье мы рассмотрим на какие параметры необходимо обратить внимание при выборе mosfet, работающего в ключевом режиме. Транзистор, работающий в ключевом режиме, можно представить себе как переключатель, который имеет два положения: включено и выключено. Обычно этот режим применяется для управления реле, лампочкой, двигателем и прочей нагрузкой, потребляющей большой ток.

1. Для начала надо узнать напряжение цепи в которой будет работать транзистор, это напряжение будет приложено к выводам Drain и Source.
Далее, необходимо отобрать транзисторы параметр Vds(Drain to Source Voltage ) которых минимум в 1.5 — 2 раза выше.

2. Другой не менее важный параметр — это ток, который мы хотим пропустить через транзистор. Максимальное значение тока, который можно пропустить через mosfet определяет параметр Id(Drain Current). Его значение также должно превышать реальный ток в 1.5 — 2 раза. Но это ещё не все, Id, в свою очередь, зависит от температуры.

На графике видно, что с увеличением температуры корпуса ток, который может пропустить через себя транзистор уменьшается. Поэтому реальное значение Id надо выбирать исходя из того, при какой температуре mosfet будет работать.

3.Так как мы собираемся управлять нагрузкой, у нас наверняка должна быть управляющая схема и нам необходимо узнать какое напряжение у неё на выходе. Это напряжение подаётся на вывод, именуемый затвором или gate.

Напряжение на затворе транзистора ограничивают два параметра:

• Vgs(th)(Gate to Source Threshold Voltage) – пороговое напряжение затвор-исток при котором начинает открываться переход сток-исток
  
• Vgs(Gate to Source Threshold Voltage) — максимальное напряжение затвор-исток
  

Управляющее напряжение должно быть где-то между ними.

4.Также от величины управляющего напряжения зависит сопротивление канала, обозначаемое в даташите как Rds

• Rds(on) — Drain to Source On Resistance — сопротивление перехода сток-исток в открытом состоянии
  

От значения Rds зависит мощность(P = I²*Rds), которая будет выделяться на транзисторе. Также надо обратить внимание чтобы значение Rds было хотя бы на порядок меньше(в 10 раз) сопротивления нагрузки.

Обычно в даташите производитель указывает напряжение Vgs, при котором он гарантирует значение Rds, в некоторых даташитах таких значений приводится несколько, например, для одного и того же транзистора

• Rds(on) @ 10 V = 2.5 Ohms
  
• Rds(on) @ 4.5 V = 3 Ohms
  

Чем меньше значение Rds, тем меньше будет греться транзистор.

Зная Rds можно найти ток, который потечёт через транзистор, для этого надо к сопротивлению нагрузки прибавить значение Rds и напряжение цепи поделить на получившееся сопротивление.

I = U/(Rнагрузки + Rds)

Отлично мы нашли ток который потечёт через транзистор, теперь надо убедиться, что транзистор сможет пропустить этот ток при данном напряжении на затворе. Для этого находим график зависимости тока стока(Id) от напряжения на затворе(Vgs).

На этом графике представлена зависимость максимального Id от Vgs, если получившееся при расчётах значение меньше полученного из графика, идём дальше, если нет — ищем способ увеличить напряжение Vgs или другой транзистор.

5.Осталось только разобраться какая мощность будет выделяться на кристалле и способен ли эту мощность рассеять транзистор. И здесь есть один нюанс, обычно в даташите указывают максимальную мощность кристалла при температуре корпуса 25°

но не факт, что ту же мощность сможет рассеять корпус транзистора, по этой причине транзисторы часто устанавливают на радиатор.
Как узнать нужен ли радиатор?
Для начала надо рассчитать мощность которая выделяется на кристалле, считается она по следующей формуле

P = I²*Rds

Дальше открываем даташит и находим температурное сопротивление кристалл-окружающая среда RθJA

RθJA показывает на сколько изменится температура кристалла относительно окружающей среды, при изменении мощности на один ватт.
Теперь если умножить полученное количество ватт на этот параметр и прибавить температуру окружающей среды, можно вычислить температуру кристалла. А как известно она не должна превышать рабочую температуру кристалла (Operating Junction) равную 175°.

Если получившееся при расчёте значение превышает рабочую температуру кристалла, то необходимо транзистор установить на радиатор. Размеры радиатора конечно же можно и нужно рассчитать, но так как изготавливать радиатор вряд ли кто-то будет, выбираем его из имеющихся.

JFET и MOSFET 2020

Оба являются управляемыми напряжением полевыми транзисторами (FET), которые в основном используются для усиления слабых сигналов, в основном беспроводных сигналов. Это устройства UNIPOLAR, которые могут усиливать аналоговые и цифровые сигналы. Полевой транзистор (FET) представляет собой тип транзистора, который изменяет электрическое поведение устройства, используя эффект электрического поля. Они используются в электронных схемах от радиочастотной технологии до переключения и управления мощностью до усиления. Они используют электрическое поле для контроля электропроводности канала. FET подразделяется на JFET (транзистор полевого транзистора) и полевой транзистор полевого транзистора (MOSFET). Оба они в основном используются в интегральных схемах и весьма схожи в принципах работы, но имеют небольшой состав. Давайте сравним два в деталях.

Что такое JFET?

JFET — это самый простой тип полевого транзистора, в котором ток может либо проходить от источника к дренажу, либо к истоку источника. В отличие от биполярных переходных транзисторов (BJT), JFET использует напряжение, приложенное к клемме затвора, для управления током, протекающим через канал между клеммами стока и источника, что приводит к тому, что выходной ток пропорционален входному напряжению. Терминал затвора имеет обратное смещение. Это трехполюсное однополюсное полупроводниковое устройство, используемое в электронных переключателях, резисторах и усилителях. Он предполагает высокую степень изоляции между входом и выходом, что делает его более стабильным, чем биполярный переходный транзистор. В отличие от BJT, количество допустимого тока определяется сигналом напряжения в JFET.

Он обычно подразделяется на две основные конфигурации:

• N-Channel JFET — Ток, протекающий через канал между дренажем и источником, отрицателен в виде электронов. Он имеет более низкое сопротивление, чем типы P-канала.
• P-Channel JFET — Ток, текущий, хотя канал положителен в форме отверстий. Он имеет более высокое сопротивление, чем его N-канальные аналоги.

Что такое MOSFET?

MOSFET представляет собой четырехполюсный полупроводниковый полевой транзистор, изготовленный контролируемым окислением кремния и где приложенное напряжение определяет электропроводность устройства. MOSFET представляет собой транзистор с полевым эффектом на основе оксида металла. Затвор, который расположен между каналами источника и стока, электрически изолирован от канала тонким слоем оксида металла. Идея состоит в том, чтобы контролировать напряжение и ток между каналами источника и стока. МОП-транзисторы играют важную роль в интегральных схемах из-за их высокого входного импеданса. Они в основном используются в усилителях мощности и переключателях, а т

Mosfet — что это? Проверка транзисторов

В статье вы узнаете про транзисторы MOSFET, что это, какие схемы включения бывают. Есть тип полевого транзистора, у которого вход электрически изолирован от основного тока несущего канала. И поэтому называется он полевой транзистор с изолированным затвором. Наиболее распространенным типом такого полевого транзистора, который используется во многих типах электронных схем, называется полевой транзистор металл-оксид-полупроводник на основе перехода или же МОП-транзистор (сокращенная аббревиатура этого элемента).

МОП-транзистор представляет собой управляемый напряжением полевой транзистор, который отличается от полевого тем, что он имеет «металл-оксид» электрод затвора, который электрически изолирован от основного полупроводника п-каналом или каналом р-типа с очень тонким слоем изолирующего материала. Как правило, это диоксид кремния (а если проще, то стекло).

полевые, МОП-транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление. Может легко накапливать большое количество статического заряда, который приводит к повреждению, если тщательно не защищены цепи.

Отличия МОСФЕТ от полевых транзисторов

Основное отличие от полевых в том, что МОП-транзисторы выпускаются в двух основных формах:

1. Истощение – транзистор требует напряжения затвор-исток для переключения устройства в положение «Откл». Режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально закрытому» переключателю.
2. Насыщение – транзистор требует напряжения затвор-исток, чтобы включить устройство. Режим усиления МОП-транзистора эквивалентно коммутатору с «нормально замкнутыми» контактами.

Графические обозначения транзисторов на схемах

Линия между соединениями стока и истока представляет собой полупроводниковый канал. Если на схеме, на которой изображены MOSFET транзисторы, она представлена жирной сплошной линией, то элемент работает в режиме истощения. Так как ток из стока может протекать с нулевым потенциалом затвора. Если линия канала показана пунктиром или ломанной, то транзистор работает в режиме насыщения, так как течет ток с нулевым потенциалом затвора. Направление стрелки указывает на проводящий канал, р-типа или полупроводниковый прибор п-типа. Причем отечественные транзисторы обозначаются точно так же, как и зарубежные аналоги.

Базовая структура MOSFET транзистора

Конструкция MOSFET (что это, рассказано в статье подробно) очень отличается от полевых. Оба типа транзисторов используют электрическое поле, создаваемое напряжением на затворе. Чтобы изменить поток носителей заряда, электронов для п-канала или отверстия для р-канала, через полупроводящий канал сток-исток. Электрод затвора помещен на вершине очень тонким изолирующим слоем, и есть пара небольших областей п-типа только под сток и исток электродов.

При помощи изолированного устройства затвора для МОП-транзистора никаких ограничений не применяется. Поэтому можно соединять с затвором полевого МОП-транзистора источник сигнала в любой полярности (положительный или отрицательной). Стоит отметить, что чаще встречаются импортные транзисторы, нежели их отечественные аналоги.

Это делает MOSFET устройства особенно ценными в качестве электронных переключателей или логических приборов, потому что без воздействия извне они, как правило, не проводят ток. И причина этому высокое входное сопротивление затвора. Следовательно, очень маленький или несущественный контроль необходим для МОП-транзисторов. Ведь они представляют собой устройства, управляемые извне напряжением.

Режим истощения МОП-транзистора

Режим истощения встречается значительно реже, нежели режимы усиления без приложения напряжения смещения к затвору. То есть, канал проводит при нулевом напряжении на затворе, следовательно, прибор «нормально закрыт». На схемах используется сплошная линия для обозначения нормально замкнутого проводящего канала.

Для п-канального МОП-транзистора истощения, отрицательное напряжение затвор-исток отрицательное, будет истощать (отсюда название) проводящий канал своих свободных электронов транзистора. Аналогично для р-канального МОП-транзистора обеднение положительного напряжения затвор-исток, будет истощать канал своих свободных дырок, переведя устройство в непроводящее состояние. А вот прозвонка транзистора не зависит от того, какой режим работы.

Другими словами, для режима истощения п-канального МОП-транзистора:

1. Положительное напряжение на стоке означает большее количество электронов и тока.
2. Отрицательное напряжение означает меньше электронов и ток.

Обратные утверждения также верны и для транзисторов р-канала. Тогда режим истощения МОП-транзистора эквивалентно «нормально разомкнутому» переключателю.

N-канальный МОП-транзистор в режиме истощения

Режим истощения МОП-транзистора построен таким же образом, как и у полевых транзисторов. Причем канал сток-исток – это проводящий слой с электронами и дырками, который присутствует в п-типа или р-типа каналах. Такое легирование канала создает проводящий путь низкого сопротивления между стоком и источника с нулевым напряжением. Используя тестер транзисторов, можно провести замеры токов и напряжений на его выходе и входе.

Режим усиления МОП-транзистора

Более распространенным у транзисторов MOSFET является режим усиления, он обратный для режима истощения. Здесь проводящий канал слаболегированный или даже нелегированный, что делает его непроводящим. Это приводит к тому, что устройство в режиме покоя не проводит ток (когда напряжение смещения затвора равно нулю). На схемах для обозначения МОП-транзисторов такого типа используют ломаную линию, чтобы обозначить нормально открытый токоизолирующий канал.

Для повышения N-канального МОП-транзистора ток стока будет течь только тогда, когда напряжение на затворе прикладывается к затвору больше, чем пороговое напряжение. При подаче положительного напряжения на затвор к п-типа MOSFET (что это, режимы работы, схемы включения, описаны в статье) привлекает большее количество электронов в направлении оксидного слоя вокруг затвора, тем самым увеличивая усиление (отсюда название) толщины канала, позволяя свободнее протекать току.

Особенности режима усиления

Увеличение положительного напряжения затвора вызовет появление сопротивления в канале. Это не покажет тестер транзисторов, он может только проверить целостность переходов. Чтобы уменьшить дальнейший рост, нужно увеличить тока стока. Другими словами, для режима усиления п-канального МОП-транзистора:

1. Положительный сигнал транзистор переводит в проводящий режим.
2. Отсутствие сигнала или же его отрицательное значение переводит в непроводящий режим транзистор. Следовательно, в режиме усиления МОП-транзистор эквивалентен «нормально разомкнутому» переключателю.

Обратные утверждения справедливы для режимов усиления р-канальных МОП-транзисторов. При нулевом напряжении устройство в режиме «Выкл» и канал открыт. Применение напряжения отрицательного значения к затвору р-типа у MOSFET увеличивает проводимость каналов, переводя его режим «Вкл». Проверить можно, используя тестер (цифровой или стрелочный). Тогда для режима усиления р-канального МОП-транзистора:

1. Положительный сигнал переводит транзистор «Выкл».
2. Отрицательный включает транзистор в режим «Вкл».

Режим усиления N-канального МОП-транзистора

В режиме усиления МОП-транзисторы имеют низкое входное сопротивление в проводящем режиме и чрезвычайно высокое в непроводящем. Также их бесконечно высокое входное сопротивление из-за их изолированного затвора. Режима усиления транзисторов используется в интегральных схемах для получения типа КМОП логических вентилей и коммутации силовых цепей в форме, как PMOS (P-канал) и NMOS (N-канал) входов. CMOS – это комплементарный МОП в том смысле, что это логическое устройство имеет как PMOS, так и NMOS в своей конструкции.

Усилитель на MOSFET

Так же, как и полевые, транзисторы MOSFET могут быть использованы для изготовления усилителей класса «А». Схемы усилителей с N-канальным МОП-транзистором общего исходного режима усиления, является наиболее популярной. На МОП-транзисторах усилители в режиме обеднения очень похожи на схемы с использованием полевых приборов, за исключением того, что MOSFET (что это, и какие типы бывают, рассмотрено выше) имеет более высокий входной импеданс.

Этот импеданс управляется по входу смещающей резистивной цепью, образованной резисторами R1 и R2. Кроме того, выходной сигнал для общего источника усилителя на транзисторах MOSFET в режиме усиления инвертируется, потому что, когда входное напряжение низкое, то переход транзистора разомкнут. Это можно проверить, имея в арсенале только лишь тестер (цифровой или даже стрелочный). При высоком входном напряжении транзистор во включенном режиме, на выходе напряжение крайне низкое.

Шпаргалка в картинках по использованию MOSFET’ов

Не знаю, как вы, а я лично постоянно забываю, где у полевых МОП-транзисторов (a.k.a MOSFET) находится сток и исток, а также как их использовать в зависимости от того, имеет ли данный МОП-транзистор N-канал или P-канал. Поэтому я решил сделать себе небольшую шпаргалку, ну и заодно поделиться ею с вами. Я также подготовил упрощенную PDF-версию этого поста, которую можно распечатать на половине листа A4 и повесить на стену.

Итак, у МОП-транзисторов три ноги, называемые затвором (gate), истоком (source) и стоком (drain):

Такое расположение верно для большинства полевых МОП-транзисторов в корпуске TO-220, в частности IRF3205 и IRF4905. При использовании незнакомого полевика, естественно, следует свериться с его даташитом.

Типичное использование:

Транзистор с N-каналом подключается, что называется, в нижнем плече (low-side), а с P-каналом — в верхнем плече (high-side). По такой схеме полевые транзисторы используются для нагрева паяльника, управления двигателями, и так далее.

Fun fact! На самом деле, полевые транзисторы разделяют еще на две категории: enhancement mode и depletion mode. Последние встречаются существенно реже и обычно являются N-канальными. Поэтому в данном посте речь идет об enhancement mode MOSFET’ах. Для depletion mode справедливо все тоже самое, только на картинке нужно поменять ON и OFF местами. При работе с незнакомым полевым транзистором, стоит проверить, к какому типу он относится.

Также МОП-транзисторы могут быть использованы для защиты от переполюсовки:

В приведенной схеме падение напряжения практически нулевое, чего нельзя достичь при помощи обычных блокирующих диодов. Это может быть особенно важно в проектах, питающихся от аккумулятора. Заметьте, что сток и исток располагаются с точностью до наоборот по сравнению с тем, как их хочется расположить, исходя из предыдущей схемы.

Стоит также отметить еще одно интересное свойство MOSFET’ов. Допустим, вам нужно управлять большим током, чем тот, на который рассчитан имеющийся у вас MOSFET. В этом случае ничто не мешает взять несколько штук и соединить их параллельно. Тогда ток будет автоматически распределен между ними поровну.

Дополнительные материалы:

Такая вот получилась шпаргалка. Если вам есть, что к ней добавить, не стесняйтесь оставлять комментарии.

Дополнение: Простая схема защиты от перенапряжения и переполюсовки

Метки: Электроника.

MOSFET — полевой транзистор. Как работает и для чего используется.

MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor

) – полевой транзистор с изолированным затвором (МДП – транзистор), затвор которого отделён от канала тонким слоем диэлектрика (обычно двуокись кремния SiO₂).

На диэлектрике нанесён электрод (затвор). Сам транзистор состоит из диэлектрика, полупроводника и металла. Имеет 4 электрода: исток, сток, подложка и затвор. Под воздействием определённого тока (поля), полупроводник начинает проводить электричество (усиленный сигнал

с истока к стоку). Регулирует этот процесс затвор, на который подаётся разный ток, для плавной регуляции усиленного сигнала. Определённый ток приходит на исток, затвор позволяет какому то количеству идти на сток.

MOSFET – служит в основном, как усилитель сигнала, либо как выпрямитель, для понижения напряжения до нужного значения.

Принимает источник сигнала и понимает его как электромагнитное колебание, за счёт подаваемой на него мощности (от источника питания — истока) — усиливает сигнал по напряжению и мощности. Подающийся на затвор исходный сигнал малой мощности, в данном случае служит как дирижёр затвора.

Выбор полевого MOSFET транзистора для стола и экструдера — мануал по важным аспектам даташитов

Вместо твердотельного реле для управления питанием нагрева стола или экструдера альтернативным решением является использование полевых (MOSFET) транзисторов. Но какой из всего многообразия моделей и скудности ассортимента ближайшего магазина радиотоваров выбрать? Заказать на Али и ждать месяц? Или бегать по городу и искать ‘тот самый, как в инструкции’? Давайте попробуем разобраться.

Сразу предупрежу — в радиотехнике и электронике я слабоват, так что если есть люди более компетентные с достаточным занием, то оставляйте коментарии, попробую дополнить. Все что здесь будет изложено — лишь перевод англоязычного источника.

Очевидно, что для выбора понадобится учесть параметры нагрузки — это напряжение и сила тока. Для 40 Ваттного нагревательного картриджа экструдера работающего от 12 В это примерно 3,33 А и при 24 В — 1,7 А. Для 150 Ваттного стола Prusa это будет 12,5 А при 12 В и 6,25 А при 24 В.

В огромных таблицах даташитов на полевые транзисторы обычно очень много разных значений, но самые важные вынесены на первую страницу документа справа.

Вот к примеру страница производителя International Rectifier со ссылками на даташиты своей продукции. Нас интересуют ‘N-канальные MOSFET транзисторы одноканальные’ в корпусе TO-220, удобном для монтажа радиаторов. Для примера попробуем взять 3 разных по параметрам MOSFET’а: IRLB3034PBF, IRFB3806PBF и IRF3205.

Начнём с IRFB3806PBF, его основные характеристики приведены на картинке выше.

Для начала проверим силу тока и напряжение, на которые рассчитан полевик. Это значения Vdss и Id. По ним вроде всё хорошо, всё с запасом. Но это еще далеко не всё.

Нам нужно выяснить какую мощность в Ваттах будет рассеивать транзистор. Рассеиваемая мощность считается по формуле:

Pрас = R * I^2

R в данном случае берётся из максимального значения Rds(on) при указанном напряжении в даташите. Смотрим:

Нормальное значение — 12,6 мОм, максимальное 15,8 мОм. В данном случае указано сопротивление для напряжения 10 В, для 12 В значение будет близким.

Подставим это значение в формулу выше (силу тока возьмём для нагревательного стола на 150 Вт питаемого от 12 В):

Pрас = 15,8 mΩ * (12,5 A)^2 = 0,0158 Ω * 156,25 A = 2,47 Ватт

Теперь посмотрим на другой параметр Rθja — тепловое сопротивление Junction-to-Ambient. Оно измеряется в Градусах Цельсия на Ватт. Находим этот параметр в нашем даташите:

В случае SMD корпуса D2 (для модели IRFS3806PBF) это значение было бы 40 ℃/Вт, но для TO-220 (IRFB3806PBF) это значение будет 62 ℃/Вт.

Теперь умножим мощность, которую необходимо рассеять на найденное значение:

2,47 Ватт * 62 ℃/Ватт = 153,14 ℃

Ого, уже выглядит не очень. Но и это не всё. Т.к. Junction-to-Ambient намекает нам на то, что мы имеем дело с окружающей средой, то было бы опрометчиво не добавить температуру окружающей транзистор среды — пусть будет 25℃. И в итоге получим температуру, до которой нагреется корпус нашего транзистора — нехилых 178,14℃!

Не то чтобы обеспечить достаточное охлаждение в таком случае совершенно невозможно, но в домашних условиях пытаться это сделать будет проблематично. Лучше подыскать что-то более подходящее.

Пройдёмся по тем же параметрам у двух других претендентов:

Транзистор IRF3205 имеет вот такую рассеиваемую мощность (для тех же 150 Вт при 12 В):

Pрас = 8 mΩ * (12,5 A)^2 = 0.008 Ω * 156.25 A = 1,25 Вт

И тогда температура корпуса транзистора будет:

1,25 Вт * 62 ℃/Ватт + 25 = 102,5 ℃

Лучше, но тоже не фонтан.

Транзистор IRLB3034PBF (150 Вт при 12 В):

Pрас = 1.7 mΩ * (12,5 A)^2 = 0.0017 Ω * 156.25 A = 0,266 Вт

И тогда температура корпуса транзистора будет:

0,266 Вт * 62 ℃/Ватт + 25 = 41,5 ℃

Вот это дело! Температура поднимется всего 41,5 ℃ при максимальных нагрузках, а при нормальных будет и того меньше — смотрим Rdss(on) typ. и получим 38,5 ℃. Отличный вариант! Именно этот транзистор был указан в мануале для сборки Ultimaker от Plastmaska.

Может быть америку тут не открыл, но надеюсь, эти две нехитрые формулы помогут вам выбрать подходящий полевой транзистор. Ну и не забываем, что у всех всё разное, без пересчёта под свои значения брать MOSFET из статьи не стоит.