Site Loader

Содержание

Ключ на полевом транзисторе своими руками

Пожалуй, даже далёкий от электроники человек слышал, что существует такой элемент, как реле. Простейшее электромагнитное реле содержит в себе электромагнит, при подаче на который напряжения происходит замыкание двух других контактов. С помощью реле мы может коммутировать довольно мощную нагрузку, подавая или наоборот, снимая напряжение с управляющих контактов. Наибольшее распространение получили реле, управляющиеся от 12-ти вольт. Также встречаются реле на напряжение 3, 5, 24 вольта.

Однако коммутировать мощную нагрузку можно не только с помощью реле. В последнее время широкое распространение получили мощные полевые транзисторы. Одно из их главных предназначений – работа в ключевом режиме, т.е. транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток – Исток практически равно нулю. Открыть полевой транзистор можно подав напряжение на затвор относительно его истока. Сравнить работу ключа на полевом транзисторе можно с работой реле – подали напряжение на затвор, транзистор открылся, цепь замкнулась.
Сняли напряжение с затвора – цепь разомкнулась, нагрузка обесточена.
При этом ключ на полевом транзисторе имеет перед реле некоторые преимущества, такие, как:
  • Большая долговечность. Довольно часто реле выходят из строя из-за наличия механически подвижных частей, транзистор же при правильных условиях эксплуатации имеет гораздо больший срок службы.
  • Экономичность. Обмотка реле потребляет ток, причём иногда весьма значительный. Затвор транзистора же потребляет ток только в момент подачи на него напряжения, затем он практически не потребляет тока.
  • Отсутствие щелчков при переключении.

Схема


Схема ключа на полевого транзистора представлена ниже:

Резистор R1 в ней является токоограничивающим, он нужен для того, чтобы уменьшить ток, потребляемый затвором в момент открытия, без него транзистор может выйти из строя. Номинал этого резистора можно спокойно изменять в широких пределах, от 10 до 100 Ом, это не скажется на работе схемы.
Резистор R2 подтягивает затвор к истоку, тем самым уравнивая их потенциалы тогда, когда на затвор не подаётся напряжение. Без него затвор останется «висеть в воздухе» и транзистор не сможет гарантированно закрыться. Номинал этого резистора также можно менять в широких пределах – от 1 до 10 кОм.
Транзистор Т1 – полевой N-канальный транзистор. Его нужно выбирать исходя из мощности, потребляемой нагрузкой и величины управляющего напряжения. Если оно меньше 7-ти вольт, следует взять так называемый «логический» полевой транзистор, который надёжно открывает от напряжения 3.3 – 5 вольт. Их можно найти на материнских платах компьютеров. Если управляющее напряжение лежит в пределах 7-15 вольт, можно взять «обычный» полевой транзистор, например, IRF630, IRF730, IRF540 или любые другие аналогичные. При этом следует обратить внимание на такую характеристику, как сопротивление открытого канала. Транзисторы не идеальны, и даже в открытом состоянии сопротивление перехода Сток – Исток не равно нулю. Чаще всего оно составляет сотые доли Ома, что совершенно не критично при коммутации нагрузки небольшой мощности, но весьма существенно при больших токах. Поэтому, чтобы снизить падение напряжения на транзисторе и, соответственно, уменьшить его нагрев, нужно выбирать транзистор с наименьшим сопротивлением открытого канала.
«N» на схеме – какая-либо нагрузка.
Недостатком ключа на транзисторе является то, что он может работать только в цепях постоянного тока, ведь ток идёт только от Стока к Истоку.

Изготовление ключа на полевом транзисторе


Собрать такую простую схему можно и навесным монтажом, но я решил изготовить миниатюрную печатную плату с помощью лазерно-утюжной технологии (ЛУТ). Порядок действий, следующий:
1) Вырезаем кусок текстолита, подходящий под размеры рисунка печатной платы, зачищаем его мелкой наждачной бумагой и обезжириваем спиртом или растворителем.

2) На специальной термотрансферной бумаге печатаем рисунок печатной платы. Можно использовать глянцевую бумагу из журналов или кальку. Плотность тонера на принтере следует выставить максимальную.

3) Переносим рисунок с бумаги на текстолит, используя утюг. При этом следует контролировать, чтобы бумажка с рисунком не смещалась относительно текстолита. Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 – 90 секунд.

4) В итоге на текстолите появляется рисунок дорожек в зеркальном отображении. Если тонер местами плохо прилип к будущей плате, можно подправить огрехи в помощью женского лака для ногтей.

5) Далее, кладём текстолит травиться. Существует множество способов изготовить раствор для травления, я пользуюсь смесью лимонной кислоты, соли и перекиси водорода.

После травления плата приобретает такой вид:

6) Затем необходимо удалить тонер с текстолита, проще всего это сделать с помощью жидкости для снятия лака для ногтей. Можно использовать ацетон и другие подобные растворители, я применил нефтяной сольвент.

7) Дело за малым – теперь осталось просверлить отверстия в нужных местах и залудить плату. После этого она приобретает такой вид:


Плата готова к запаиванию в неё деталей. Потребуются всего два резистора и транзистор.

На плате имеются два контакта для подачи на них управляющего напряжения, два контакта для подключения источника, питающего нагрузку, и два контакта для подключения самой нагрузки. Плата со впаянными деталями выглядит вот так:


В качестве нагрузки для проверки работы схемы я взял два мощных резистора по 100 Ом, включенных параллельно.

Использовать устройство я планирую в связке с датчиком влажности (плата на заднем плане). Именно с него на схему ключа поступает управляющее напряжение 12 вольт. Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Падение напряжение на транзисторе при этом составило 0,07 вольта, что в данном случае совсем не критично. Нагрева транзистора на наблюдается даже при постоянной работе схемы. Успешной сборки!



Скачать плату и схему:
plata.zip [4,93 Kb] (cкачиваний: 1308)

виды, устройство, схемы, описание работы

Что такое ключ на транзисторах?

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации аналоговых и цифровых сигналов.

В аналоговых ключах обычно используют транзисторы с управляющим p-n-переходом или МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В цифровых ключах обычно используют МДП-транзисторы с индуцированным каналом. В последнее время полевые транзисторы все чаще используют в силовой импульсной электронике.

Ключи на полевых транзисторах отличаются малым остаточным напряжением. Они могут коммутировать слабые сигналы (в единицы микровольт и меньше). Это следствие того, что выходные характеристики полевых транзисторов проходят через начало координат.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Для примера изобразим выходные характеристики транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа в области, прилегающей к началу координат (рис. 3.17). Обратим внимание, что характеристики в третьем квадранте соответствуют заданным напряжениям между затвором и стоком.

Однако минимальное сопротивление включенного ключа на полевом транзисторе может быть больше, чем ключа на биполярном транзисторе (т. е. наклон самой круто поднимающейся характеристики полевого транзистора может быть меньше, чем наклон соответствующей характеристики на биполярном транзисторе). Поэтому при значительном токе падение напряжения на полевом транзисторе может быть больше, чем падение напряжения на биполярном транзисторе.

Иногда остаточным напряжением на ключе называют не то напряжение, которое соответствует нулевому току, а то, которое соответствует некоторому значительному току ключа.

Это нужно иметь в виду, чтобы понять смысл на первый взгляд парадоксального утверждения, встречающегося у некоторых авторов и состоящего в том, что остаточное напряжение ключей на полевых транзисторах больше, чем ключей на биполярных транзисторах, и поэтому «полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным».

Орлов Анатолий Владимирович

Начальник службы РЗиА Новгородских электрических сетей

Задать вопрос

Кстати нужно сказать, что наличие подобных на первый взгляд противоречивых утверждений полезно воспринимать как знак того, что выбор конкретного решения (в данном случае выбор для коммутации полевого или биполярного транзистора) следует осуществлять на основе всестороннего анализа.

В статическом состоянии ключ на полевом транзисторе потребляет очень малый ток управления. Однако этот ток увеличивается при увеличении частоты переключения. Очень большое входное сопротивление ключей на полевых транзисторах фактически обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей.

Это позволяет обойтись без трансформаторов в цепях управления. Ключи на полевых транзисторах часто менее быстродействующие в сравнении с ключами на биполярных транзисторах.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и резистивной нагрузкой и соответствующие временные диаграммы (рис. 3.18).

На схеме изображена емкость нагрузки Сн, моделирующая емкость устройств, подключенных к транзисторному ключу. Очевидно, что при нулевом входном сигнале транзистор заперт и uси= Eс. Если напряжение uвх больше порогового напряжения Uзи.порог транзистора, то он открывается и напряжение uси уменьшается.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Ключи на полевых транзисторах с управляющим p-n-переходом входят в состав различных микросхем серий 284, 504 и др.

Напряжение на ключе в его включенном состоянии Uвкл зависит от сопротивления стока Rc, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением Rc, емкостью Сн и частотными свойствами транзистора.

Схема цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором

Изобразим схему цифрового ключа на МДП-транзисторе с нагрузочным МДП-транзистором (с динамической нагрузкой) (рис. 3.19). Отметим, что при использовании интегральной технологии такой ключ, как ни странно на первый взгляд, изготовить проще в сравнении с рассмотренным выше (ССЫЛКА), имеющим нагрузочный резистор. Транзистор Т1 называют активным, а транзисторТ2 — нагрузочным.

Вначале рассмотрим закрытое состояние ключа. При этом uвх < Uзи.nopoгl , где Uзи.nopoгl — пороговое напряжение для транзистора T1. В этом случае транзистор Т1 закрыт и через оба транзистора протекает очень малый ток (обычно не более 1 нА). При этом напряжение uси1близко к напряжению Ес, а напряжение uси1 близко к нулю.

В рассматриваемом состоянии транзисторТ2 также закрыт, хотя напряжение между затвором и истоком этого транзистора положительно (очевидно, что uзи2 = uси2). Но соотношение между параметрами транзисторов обеспечивается именно такое, чтобы в закрытом состоянии ключа выполнялось соотношение uси1= Ес.

По крайней мере очевидно, что напряжение uси2не может быть больше порогового напряжения Uзu.nopoг2 для транзистора Т2, иначе бы транзистор Т2 открылся и напряжение на нем уменьшилось.

Теперь рассмотрим открытое состояние ключа. При этом uвх> uзи.порог1. Транзистор Т1 открыт и напряжение uси1 близко к нулю, а напряжение на транзисторе Т2 близко к напряжению питания.

В рассматриваемом состоянии транзистор Т2 также открыт, при этом uзи2= uси2= Ес. Но транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора Т2 была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора T1 .Именно поэтому в открытом состоянии ключа uси1 = 0 (часто это напряжение лежит в пределах 50…100 мВ). Так как удельная крутизна транзистора Т2 мала, ток, протекающий через открытый ключ, сравнительно мал.

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

Изобразим схему цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах (комплементарный МДП-ключ, КМОП-ключ) (рис. 3.20).

Здесь использованы взаимодо­полняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т2 с каналом p-типа. Обозначим через Uзи.порог1 и Uзи.порог2 пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т1 и Т2. Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным.

Пусть uвх= 0, тогда, очевидно, транзистор T1 закрыт, а транзистор Т2 открыт. При этом uсн1= Ес, uис2= 0. Если uвх> Uзи.порогl, тогда транзистор Т1 открыт. Пусть, кроме того, uвх> Ес — Uзи.порог2, тогда транзистор Т2 закрыт. При этом uси1= 0, uис2= Ес.

Надо отметить, что если Ес < Uзи.порог1 + Uзи.порог2, то при изменении входного сигнала не возникает ситуация, когда оба транзистора включены. Но если данное неравенство не выполняется, то такая ситуация будет иметь место при некотором промежуточном напряжении uвх, и тогда через транзисторы протекает так называемый сквозной ток.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если длительность переднего фронта и длительность среза (заднего фронта) входного импульса мала, то сквозной ток протекает короткое время, но и в этом случае он оказывает негативное влияние на работу схемы.

Как следует из изложенного, в каждом из двух установившихся режимов, т. е. и в открытом, и в закрытом состоянии, ключ практически не потребляет ток от источника питания. Это первое важное достоинство комплементарного ключа.

Вторым важным достоинством комплементарного ключа является резкое отличие выходного напряжения в открытом состоянии ключа (единицы микровольт и менее) и выходного напряжения в закрытом состоянии (это напряжение меньше напряжения питания всего лишь на единицы микровольт и менее). Это обеспечивает высокую помехоустойчивость цифровых схем на комплементарных ключах.

Третьим важным достоинством комплементарного ключа является его повышенное быстродействие. Оно может быть на порядок больше, чем у двух других ранее изученных ключей на полевых транзисторах. Повышенное быстродействие объясняется тем, что как разряд емкости Сн, так и ее заряд происходит через соответствующий открытый транзистор (емкость разряжается через транзистор T1 и заряжается через транзистор Т2).

При этом в начале заряда или разряда через соответствующий транзистор протекает большой ток, который быстро изменяет напряжение емкости. Естественно предположить, что входной сигнал поступает от такого же ключа, т. е. или uвх= , или uвх= Ес. В этом случае, чем больше напряжение питания Ес, тем больше отпирающий сигнал на соответствующем транзисторе и тем больше его начальный ток (к примеру, при uвх= 0, uиз2= Ес).

Поэтому при увеличении напряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМОП-ключей.

Рассмотрим простейшую схему аналогового ключа на МДП-транзисторе (рис. 3.21).

Эта схема получается из предыдущей при замене транзистора Т1 резистором нагрузки, а источника питания — источником входного сигнала.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Подложка транзистора подключена к положительному полюсу источника питания, т. е. к точке с наибольшим потенциалом, для того чтобы p-n-переходы между подложкой и истоком и подложкой и стоком не открывались.

Транзистор этого аналогового ключа работает подобно тому, как работает транзистор Т2 рассмотренного комплементарного ключа. Например, для отпирания транзистора необходимо, чтобы напряжение uупр было малым.

Ключ может коммутировать как положительное, так и отрицательное входное напряжение.

Двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах

Рассмотрим теперь двунаправленный аналоговый ключ (передающий вентиль) на комплементарных транзисторах (рис. 3.22).
Ключ предназначен для передачи напряжения uас вывода А на вывод В или напряжение uс вывода В на вывод А. Предполагается, что эти напряжения находятся в пределах от 0 до +Еn. Транзисторы Т1 и Т2 образуют рассмотренный выше комплементарный ключ. Двунаправленный ключ открыт, когда uупр= +Еn. В этом случае по крайней мере один из транзисторов Т3 и Т4 открыт. Ключ закрыт, когда uупр= 0.

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Если схему изменить и на затворы транзисторов Т3 и Т4 подавать не только положительные, но и отрицательные напряжения, то ключ будет в состоянии работать не только при положительных, но и отрицательных напряжениях uа и ub.

Ключи на полевых транзисторах с изолированным затвором входят в состав микросхем серий 168, 547 и др., а на комплементарных транзисторах — в состав микросхем серий 590, 591, 176, 561, 1564.

Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе курсовая по радиоэлектронике

Курсовая работа по дисциплине: Электроника и микропроцессорная техника на тему: «Аналоговый электронный ключ на полевом транзисторе» Выполнил: студент 2 курса 4 группы Казаков Д.Н. Руководитель: доцент Земляков В.Л. г. Ростов-на-Дону 2004 год Введение. Курсовая работа посвящена макетированию и исследованию аналогового электронного ключа на полевом транзисторе. Электронный ключ –основной функциональный узел дискретной схемотехники для переключения токов или потенциалов на нагрузке. В импульсных устройствах очень часто требуется коммутировать (включать и выключать) электрические цепи. Эта операция выполняется бесконтактным способом с помощью транзисторных ключей. Ключевые схемы используются для построения генераторов и формирователей импульсов , а также различных логических схем цифровой вычислительной техники. Ключ выполняет элементарную операцию инверсии логической переменной и называется инвертором. В статическом режиме ключ находится в состоянии «включено» (ключ замкнут), либо в состоянии «выключено» (ключ разомкнут). Переключение ключа из одного состояния в другое происходит под воздействием входных управляющих сигналов : импульсов или уровней напряжения. Простейшие ключевые схемы имеют один управляющий вход и один выход. Основу ключа составляет транзистор в дискретном или интегральном исполнении. В зависимости от состояния ключ шунтирует внешнюю нагрузку большим или малым выходным сопротивлением. В этом и заключается коммутация цепи, производимая транзисторным ключом. Основными параметрами ключа являются : • быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду ; для интегральных ключевых схем оно составляет миллионы коммутаций ; • длительность фронтов выходных сигналов ; • внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии ; • потребляемая мощность ; • помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение ; • стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение ; • надежность работы в реальных условиях старения радиодеталей, изменения источников питания и т.д. 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 ключа 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 ключей, выпускаемых в настоящее время. Аналоговые мультиплексоры Хорошим приложением ключей на полевых транзисторах являются мультиплексоры — схемы, которые позволяют выбрать один из нескольких входов по указанию управляющего цифрового сигнала. Такие устройства входят в состав систем сбора данных микропроцессорных регуляторов промышленных и транспортных объектов. Аналоговый сигнал с выбранного входа будет прямо проходить на выход. На рис. 5 в качестве примера показана функциональная схема аналогового мультиплексора из четырех направлений в одно. Каждый из ключей от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП-ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения Е необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов; если на этот вход поступает сигнал низкого уровня, то, независимо от состояния адресных входов, все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексор является одновременно и «демультиплексором», т.е. сигнал может быть подан на вход мультиплексора и снят с избранного выхода. Статические характеристики Сопротивление в открытом (включенном) состоянии. Ключи КМОП, работающие от относительно высокого напряжения питания (например, +15 В), будут иметь малые значения Ro во всем диапазоне значений входного сигнала, так как всегда тот или другой проводящий транзистор будет иметь прямое смещение затвора, равное, по крайней мере, половине напряжения питания. Но при меньшем напряжении питания сопротивление ключа Ro будет расти, и максимум его имеет место при среднем уровне сигнала между высоким и низким напряжениями питания. На рис. 6 приведены зависимости Ro ключа микросхемы ключа MAX312 от напряжения входного сигнала при однополярном питании. При уменьшении Uпит сопротивление полевого транзистора во включенном состоянии значительно увеличивается (особенно вблизи точки Uвх = Uпит/2). Это объясняется тем, что для полевого транзистора обогащенного типа пороговое напряжение составляет несколько вольт, и для достижения малых значений Ro требуется напряжение затвор-исток не меньше, чем 5…10 В. Как видно из рис 6, сопротивление открытого ключа при номинальном напряжении питания, близкое к 10 Ом, при Uпит=2,7 В достигает 700 Ом. Рис. 6. Зависимости Ro КМОП-ключа от входного напряжения при однополярном включении для различных значений питающего напряжения Имеются различные приемы, которые разработчики ИМС аналоговых ключей применяют, чтобы сохранить значение Ro малым и примерно постоянным во всем диапазоне изменения входных сигналов. Это нужно для уменьшения нелинейных искажений входного сигнала. Для этого схему управления ключом выполняют таким образом, чтобы напряжение n-подложки «следило» за напряжением входного сигнала. Применение транзисторов с малым напряжением отсечки и повышенной крутизной позволяет построить ключи с весьма малым Ro при низком питающем напряжении. Так например, одноканальный ключ ADG701 при однополярном питании +5 В имеет сопротивление Ro не более 2,5 Ом. На рис. 7 приведены зависимости сопротивления открытого ключа низковольтной микросхемы МАХ391 от напряжения входного сигнала для различных питающих напряжений при однополярном (а) и разнополярном (б) питании. (a) (б) Рис. 7. Графики зависимостей Ro ключа ИМС MAX391 от входного напряжения при однополярном (а) и разнополярном (б) включении для различных значений питающего напряжения Применение КМОП логики для управления транзисторами ключей дает еще один важный положительный эффект — в покое эти микросхемы практически не потребляют энергии. Ток утечки канала. В закрытом состоянии канал МОП-ключа обладает очень высоким динамическим сопротивлением (до сотен ГОм) при напряжении сток-исток более 0,1 В. Поэтому его принимают источником тока с током Iут. Направление протекания тока утечки через закрытый КМОП-ключ определяется полярностью приложенного напряжения. Типичное значение Iут для широкой номенклатуры аналоговых ключей и мультиплексоров составляет величину порядка 1 нА. Однако выпускаются и ключи с пониженным током утечки. Например у одноканального ADG431 типичный ток утечки — 0,05 нА. При очень низких напряжениях на закрытом ключе сопротивление канала уменьшается, но остается все-таки весьма высоким. Динамические характеристики Междуэлектродные емкости. МОП-ключи обладают следующими емкостями (рис. 8): между входом и выходом (Сси), между каналом и общей точкой схемы (Сс, Си), между затвором и каналом (Сз) и между ключами в пределах одного кристалла. Как правило, наличие этих емкостей ухудшает характеристики ключей. Сси (емкость вход-выход). Наличие этой емкости приводит к прохождению сигнала через разомкнутый ключ, которое на высоких частотах возрастает. На рис. 9. показан этот эффект для микросхемы четырехканального аналогового ключа типа МАХ312. Здесь кривая 1 представляет собой амплитудно-частотную характеристику последовательного ключа, нагруженного на резистор 50 Ом в замкнутом состоянии. Кривая 2 — фазочастотная характеристика для этого же случая. Кривая 3 представляет амплитудно-частотную характеристику ключа в разомкнутом состоянии при той же нагрузке. Как видно, даже при нагрузке 50 Ом сквозное прохождение сигнала на высоких частотах становится значительным. При нагрузке 10 кОм ситуация со сквозной передачей сигнала, конечно же намного хуже. Рис. 9. Частотные характеристики последовательного ключа на ИМС МАХ312 В большинстве низкочастотных применений емкостное сквозное прохождение сигнала через разомкнутый ключ не создает проблем. Если они возникают, хорошим решением является использование пары включенных каскадно ключей (рис. 10а) или, что еще лучше, использование последовательно-параллельного ключа (рис. 10б). Последовательный каскад удваивает ослабление (в децибелах) ценой дополнительного делителя напряжения, в то время как последовательно-параллельная схема уменьшает прямое прохождение, снижая эффективное сопротивление нагрузки до Ro, когда последовательный ключ разомкнут. Многие фирмы выпускают ИМС аналоговых ключей, содержащие по два нормально замкнутых (т.е. замкнутых при низком уровне управляющего сигнала) и два нормально разомкнутых ключа. Это, например, МАХ314, DG413, 590КН4 и др. Эти микросхемы позволяют наиболее просто построить последовательно-параллельные ключи. Рис.10. Схемы, обеспечивающие улучшенные характеристики ключей в разомкнутом состоянии Сс, Си (емкость относительно земли). Шунтирующая на землю емкость приводит к упомянутому ранее спаду частотной характеристики (кривые 1 и 2 на рис. 9). Совместно с сопротивлением источника сигнала и сопротивлением замкнутого ключа Ro эти емкости образуют фильтр нижних частот. Ситуация усугубляется при высокоомном источнике сигнала. Емкость между ключами. Поскольку обычно на кристалле размещается несколько ключей, то не следует удивляться при появлении наводок между каналами. Виновницей может быть емкость между каналами, составляющая величину порядка 0,5 пФ. Эффект усиливается по мере роста частоты и увеличения импеданса источника сигнала. Динамические помехи. Во время перехода от включенного состояния к выключенному и обратно в аналоговых ключах на полевых транзисторах могут возникать неприятные эффекты. Скачок управляющего напряжения, поданный на затвор, вызывает изменение заряда в цепи канала. Это наиболее существенно при уровнях сигналов, соответствующих разомкнутому ключу. Подобные эффекты возникают и в мультиплексорах во время изменения адреса канала. Ввиду важности этой проблемы, рассмотрим ее более подробно. На рис. 11 изображена форма выходного сигнала, которую можно увидеть на выходе n-канального МОП-ключа, схема которого показана на рис. 3а, при нулевом уровне входного сигнала и нагрузке, состоящей из резистора сопротивлением 10 кОм и параллельного ему конденсатора с емкостью 20 пФ. Эти всплески и провалы вызваны переносом заряда в канал через емкость Сз, имеющую величину порядка 5 пФ, (рис. 8) при изменении напряжения затвора. Это напряжение делает резкий скачек от одного уровня питания к другому, перенося заряд q = +Сз(Uзи.выс — Uзи.низ). Заметим, что величина переносимого заряда зависит только от полного изменения напряжения затвора и не зависит от времени, за которое это изменение происходит. Замедление изменения сигнала на затворе вызывает меньшую по амплитуде, но более долгую динамическую помеху с той же площадью под графиком. Фильтрация выходного сигнала ключа фильтром нижних частот дает тот же эффект. Такие меры могут помочь в тех случаях, когда важно добиться малого пика амплитуды динамической помехи, однако в смысле исключения пропускания управляющего сопротивления нагрузки выбирается компромиссным. Малое сопротивление уменьшит емкостную утечку, но вызовет ослабление выходного сигнала из-за делителя напряжения, образованного сопротивлением проводящего транзистора Rвкл и сопротивлением нагрузки. А так как Rвкл меняется с изменением входного сигнала, то это ослабление приведет к некоторой нежелательной нелинейности. Слишком низкое сопротивление нагрузки проявляется также и на входе ключа, нагружая входной сигнал. Привлекательной альтернативой является также применение еще одного ключа, закорачивающего выход на землю, если транзистор, включающий сигнал, находится в состоянии «ВЫКЛ»: таким образом, формируется однополюсный ключ на два направления. Часто необходимо переключать сигналы, сравнимые по величине с напряжением питания. В этом случае описанная выше простая схема работать не будет, поскольку при пиковом значении сигнала затвор не будет иметь достаточного смещения. Задача переключения таких сигналов решается применением переключателей на комплементарных МДП-транзисторах (КМДП) (рис. 12). При высоком уровне управляющего сигнала VТ1 пропускает сигналы с уровнями от земли до без нескольких вольт. VТ2 пропускает сигнал с уровнями от до значения на несколько вольт выше уровня земли. Таким образом, все сигналы в диапазоне от земли до проходят через схему, имеющую малое сопротивление. Переключение управляющего сигнала на уровень земли запирает оба транзистора, размыкая, таким образом, цепь. В результате получается аналоговый переключатель для сигналов в диапазоне от земли до . Это основа схемы КМДП «передающего вентиля» 4066 (К561КТ3). Как и описанные ранее ключи, эта схема работает в двух направлениях ≈ любой ее терминал может служить входным. Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом (рис. 13) можно использовать и как аналоговые ключи, но нужна осторожность в отношении сигнала на затворе, чтобы не возник ток затвора. Напряжение затвора должно быть существенно ниже потенциала земли для удержания ПТ в состоянии отсечки. Это значит, что если напряжение сигнала становится отрицательным, то напряжение затвора должно удерживаться, по крайней мере, на ниже наименьшего минимума сигнала. Для приведения транзистора в состояние проводимости управляющий сигнал должен стать больше максимального положительного значения входного сигнала. Когда ключ замкнут, диод имеет обратное смещение и затвор связан с истоком через резистор сопротивлением 1 МОм, т. е. находится под потенциалом истока. Можно построить схему аналогового ключа на транзисторе с управляющим р≈п-переходом, если использовать ОУ, так как можно связать исток транзистора с потенциальной землей в суммирующей точке инвертирующего усилителя (рис. 14). Тогда для отпирания транзистора нужно просто подать потенциал земли на затвор. Этот способ дает дополнительное преимущество, заключающееся в точной компенсации ошибок, возникающих из-за конечного значения Rвкл и его нелинейности. Схема имеет две примечательные особенности: а) когда VТ1 включен (затвор заземлен), вся схема представляет собой инвертор с одинаковым полным сопротивлением в цепях входа и обратной связи. Это компенсирует все эффекты, связанные с конечностью и нелинейностью сопротивления включенного состояния, если транзисторы согласованы по параметру Rвкл. б) Благодаря малости напряжения отсечки схема будет работать при управляющем сигнале от нуля до +5 В, что удобно для работы с ТТЛ. Включение в инвертирующей схеме с присоединением истока VT1 к потенциальной земле (суммирующая точка) упрощает работу схемы, так как нет колебаний сигнала на истоке VT1 во включенном состоянии; диод препятствует включению ПТ при положительных сигналах и запертом VT1 и не оказывает никакого действия при замкнутом ключе. Тот же прием компенсации применяется и для ключей на МДП — транзисторах. Отечественная и зарубежная промышленность выпускают широкую номенклатуру микросхем, предназначенных для коммутации аналоговых сигналов. В частности, отечественная промышленность выпускает аналоговые ключи серии 596 и серии 561, из зарубежных известны ключи фирмы Analog Devices (ADG), значительное количество ключей аудио- и видеосигналов фирм Philips, Sanyo и др. 3. Электронный ключ на транзисторе. 3.1. Общие сведения. Принцип действия. В ключевых схемах в общем случае используются все основные схемы включения транзисторов: с общей базой (ОБ), с общим коллектором (ОК), ключ-«звезда», с общим эмиттером (ОЭ). Наибольшее применение получили транзисторные ключи по схеме с ОЭ. Статические характеристики. Поведение ключа в статическом режиме определяется выходными I и входными I характеристиками транзистора по схеме с ОЭ. На выходных характеристиках выделяются три области, которые определяют режим отсечки коллекторного тока, активный режим и режим насыщения ключевой схемы. Область отсечки определяется точками пересечения линии нагрузки R с самой нижней кривой семейства выходных характеристик с параметром I= — I. Этой области соответствует режим отсечки, при котором: —транзистор закрыт, т.к. оба его перехода смещены в обратном направлении U>0, U<0 —напряжение U= — E+I*R — E —ток коллектора минимален и определяется обратным (тепловым) током коллекторного перехода I=I —ток базы I= — I,а ток эмиттера I=0 —сопротивление транзистора постоянному току наибольшее R = 100 кОм. Активная область расположена между нижней кривой коллекторного тока и линией насыщения. Этой области соответствует активный нормальный режим, при котором эмиттерный переход смещен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном: U<0,U>0 Ток коллектора I=B*I+(B+1)I=B*I+I ; I=(B+1)I. Где B – коэффициент усиления базового тока в схеме с ОЭ. Область насыщения определяется точками пересечения линии нагрузки с линией насыщения. Этой области соответствует режим насыщения. При котором: —транзистор открыт, т.к. оба его перехода смещены в прямом направлении U<0,U<0 —напряжение U и U насыщенного транзистора составляет доли вольта —максимальный ток транзистора (ток насыщения) I, практически не зависит от параметров транзистора I= (3.1) —сопротивление транзистора постоянному току минимально (десятки ом) r= Коллекторный ток насыщения достигается при граничном токе базы I==. (3.2) Глубина или степень насыщения транзистора определяется коэффициентом насыщения S S=. 1. Операционные усилители. Операционные усилители (ОУ) — это интегральные усилители постоянного тока с дифференциальным входом, большим коэффициентом усиления (КУ) и входным сопротивлением. В идеале ОУ должен иметь бесконечные КУ и входное сопротивление и не входить в насыщение. Современные ОУ близки по первым двум характеристикам к идеалу, но режима насыщения, к сожалению, избежать невозможно, не нарушая законов ©Кирхгофа. Реальный ОУ в настоящее время имеют входное сопротивление от 1 МОм до 1 ГОм, КУ — 10000…100000, и можно сказать, что эти величины стремятся к бесконечности, а их характеристики близки к идеальным. В этой главе мы представим реальный ОУ как идеальный, так как нас пока не интересуют ни частотные, ни температурные характеристики. Для начала примем несколько утверждений: 1. Т.к. КУ стремится к бесконечности, то любое бесконечно малое изменение разности входных напряжений приводит к бесконечно быстрому изменению выходного сигнала. 2. ОУ не входит в режим насыщения. 3. Входной ток ОУ равен 0. Таким образом, мы освобождаем рассматриваемую цепь от влияния динамических и статических параметров ОУ. Т.е. комплексное сопротивление ОУ (см. ниже) стремится к бесконечности. Оглавление 2. Принцип обратной связи. Для того, чтобы понять принцип отрицательной обратной связи (а именно ООС в основном используется в каскадах на ОУ), рассиотрим схему на рисунке. Положительная ОС используется в основном для создания генераторов, поэтому здесь не рассматривается. Итак, подаём на вход напряжение U1. Для простоты предположим, что выход схемы не нагружен. Т.к. входное сопротивлене ОУ бесконечно, в начальный момент времени можем получить U0 = U1 (?..) Ловким движением достаю кролика из шляпы: а вот и нет! Что же происходит с U0? Так же мгновенно, как U1, увеличивается U2, но с обратным знаком. Теперь см. выше — приращение выходного напряжения существует, пока разность напряжения на входах ОУ ненулевая. Понимаю, нет ни малейшего желания вспоминать старика Кирхгофа, но всё-таки потерпите: U1/R1 + U2/R2 = 0 ( закон Кирхгофа для токов ) U0 = 0 Именно при этом условии прирост напряжения U2 остановится. А произойдёт это, когда: U2 = — (U1 R2)/R1 Из этого получим КУ схемы: K = — R2/R1 U2 = K U1 Вот вам и сложная наука электроника! Это один важный вывод из применения закона Кирхгофа. Второй заключается в том, что U0 = 0 ( всегда ) В качестве «лирического отступления» скажу, что не нулю, а потенциалу неинвертирующего входа ОУ. И все остальные потенциалы тоже даны относительно того же входа. Это уже неявное применение метода узловых потенциалов — берём один из потенциалов схемы и приравниваем его к нулю. Вывод: упростив представление ОУ как схемотехнического элемента (см. п. 1), мы рассмотрели один из основополагающих принципов схемотехники на ОУ — принцип отрицательной обратной связи (ООС). Инвертирующий усилитель Полевой транзистор в качестве элемента схемы представляет собой активный несимметричный четырехполюсник, у которого один из зажимов является общим для цепей входа и выхода. В зависимости от того, какой из электродов полевого транзистора подключен к общему выводу, различают схемы: с общим истоком и входом затвор; с общим стоком и входом на затвор; с общим затвором и входом на исток. Схемы включения полевого транзистора показаны на рис. 3. По аналогии с ламповой электроникой, где за типовую принята схема с общим катодом, для полевых транзисторов типовой является схема с общим истоком. 3. Эквивалентная схема полевого транзистора. Рис. 4. Эквивалентная схема полевого транзистора. Эквивалентная схема полевого транзистора, элементы которой выражены через у-параметры, приведен на рис. 4. При таком подключении каждая из проводимости имеет физический смысл. 4. Параметры полевого транзистора. Входная проводимость определяется проводимостью участка затвор — исток уЗИ. = у11 + у12 ; выходная проводимость — проводимость участка сток — исток уСИ = у22 + у21 ; функции передачи — крутизной вольт-амперной характеристики S = у21 — у12 ; функция обратной передачи — проходной проводимостью уЗС = у12. Эти параметры применяются за первичные параметры полевого транзистора, используемого в качестве четырехполюсника. Если первичные параметры четырехполюсника для схем с общим истоком определены, то можно рассчитать параметры для любой другой схемы включения полевого транзистора. Начальный ток стока IС.нач — ток стока при напряжении между затвором и истоком, равном нулю и напряжении на стоке, равном или превышающим напряжение насыщения. Остаточный ток стока IС.ост — ток стока при напряжении между затвором и истоком, превышающем напряжение отсечки. Ток утечки затвора IЗ.ут — ток затвора при заданном напряжении между затвором и остальными выводами, замкнутыми между собой. Обратный ток перехода затвор — сток IЗСО — ток, протекающий в цепи затвор — сток при заданном обратном напряжении между затвором и стоком и разомкнутыми остальными выводами. Обратный ток перехода затвор — исток I ЗИО — ток, протекающий в цепи затвор — исток при заданном обратном напряжении между затвором и истоком и разомкнутыми остальными выводами. Напряжение отсечки полевого транзистора UЗИ.отс — напряжение между затвором и истоком транзистора с р -п переходом или изолированным затвором, работающего в режиме обеднения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Пороговое напряжение полевого транзистора UЗИ.пор — напряжение между затвором и истоком транзистора с изолированным затвором, работающего в режиме обогащения, при котором ток стока достигает заданного низкого значения. Крутизна характеристик полевого транзистора S — отношение изменения тока стока к изменению напряжения на затворе при коротком замыкании по переменному току на выходе транзистора в схеме с общим истоком. Входная емкость полевого транзистора С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току на выходе в схеме с общим истоком. Выходная емкость полевого транзистора С22и — емкость между стоком и истоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Проходная емкость полевого транзистора C12и — емкость между затвором и стоком при коротком замыкании по переменному току на входе в схеме с общим истоком. Емкость затвор -сток СЗСО — емкость между затвором и стоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Емкость затвор — исток СЗИО емкость между затвором и истоком при разомкнутых по переменному току остальных выводах. Коэффициент усиления по мощности Кур — отношение мощности на выходе полевого транзистора к мощности на входе при определенной частоте и схеме включения. 4.1. Частотные свойства. Частотные свойства полевых транзисторов определяются постоянной времени RC — цепи затвора. Поскольку входная емкость С11и у транзисторов с р-п переходом велика (десятки пикофарад), их применение в усилительных каскадах с большим входным сопротивлением возможно в диапазоне частот, ре превышающих сотен килогерц — единиц мегагерц. При работе в переключающих схемах скорость переключения полностью определяется постоянной времени RC — цепи затвора. У полевых транзисторов с изолированным затвором входная емкость значительно меньше, поэтому их частотные свойства намного лучше, чем у полевых транзисторов с р-п — переходом. Граничная частота определяется по формуле fгр.=159/С11и, где fгр = частота, МГц; S — крутизна характеристики транзистора, мА/В; С11и — емкость между затвором и истоком при коротком замыкании по переменному току выходной цепи, пФ. 4.2. Шумовые свойства. Шумовые свойства полевых транзисторов оцениваются коэффициентом шума КШ, который мало зависит от напряжения сток — исток, тока стока и окружающей температуры (ниже 50 0 С) и монотонно возрастает с уменьшением частоты и внутреннего сопротивления источника сигнала. Коэффициент шума измеряют в заданном режиме по постоянному току UСИ, IC на определенной частоте. Вместо коэффициента шума иногда указывают шумовое напряжение полевого транзистора Uш — эквивалентное шумовое напряжение, приведенное ко входу, в полосе частот при определенном полном сопротивлении генератора в схеме с общим истоком; шумовой ток Iш — эквивалентный шумовой ток, приведенный ко входу, при разомкнутом входе в полосе частот в схеме с общим истоком. 4.3. Тепловые параметры. Тепловые параметры полевого транзистора характеризуют его устойчивость при работе в диапазоне температур. При изменении температуры свойства полупроводниковых материалов изменяются. Это приводит к изменению параметров полевого транзистора, в первую очередь, тока стока, крутизны и тока утечки затвора. Зависимость изменения тока стока от температуры определяется двумя факторами: контактной разностью потенциалов р-п перехода и изменением подвижности основных носителей заряда в канале. При повышении температуры контактная разность потенциалов уменьшается, сопротивление канала падает, а ток увеличивается. Но повышение температуры приводит к уменьшению подвижности носителей заряда в канале и тока стока. При определенных условиях действие этих факторов взаимнокомпенсируется и ток полевого транзистора перестает зависеть от температуры. На рис. 5. приведены стокозатворные характеристики при различных температурах окружающей среды и указано положение термостабильной точки. Рис. 5. Сток — затворные характеристики полевого транзистора при разных температурах. Зависимость крутизны характеристики от температуры у полевых транзисторов такая же как и у тока стока. С ростом температуры ток утечки затвора увеличивается. Хотя абсолютное изменение тока незначительно, его надо учитывать при больших сопротивлениях в цепи затвора. В этом случае изменение тока утечки затвора может вызвать существенное изменение напряжения на затворе полевого транзистора и режима его работы. Температурная зависимость тока утечки затвора полевого транзистора с р-п переходом приведена на рис. 6. рис. 6. Зависимость тока утечки затвора полевого транзистора от температуры. В полевом транзисторе с изолированным затвором ток затвора практически не зависит от температуры. 4.4. Максимально допустимые параметры. Максимально допустимые параметры определяют значения конкретных режимов полевых транзисторов, которые не должны превышаться при любых условиях эксплуатации и при которых обеспечивается заданная надежность. К максимально допустимым параметрам относятся: максимально допустимое напряжение затвор — исток UЗИmax, затвор — сток UЗСmax, сток — исток UСИmax, максимально допустимое напряжение сток — подложка UСПmax, исток — подложка UИПmax, затвор — подложка U ЗПmax. Максимально допустимый постоянный ток стока I Сmax максимально допустимый прямой ток затвора IЗ(пр)max, максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность Рmax. 4.5. Вольт – амперные характеристики полевых транзисторов. Рис. 7. Вольт – амперные характеристики полевого транзистора со встроеным каналом n- типа: а – стоковые; б – стоко – затворные. Вольт — амперные характеристики полевых транзисторов устанавливают зависимость тока стока I C от одного из напряжений UСИ или UЗИ при фиксированной величине второго. В МДП — транзисторе с индуцированным каналом с подложкой р-типа при UЗИ = 0 канал п-типа может находиться в проводящем состоянии. При некотором пороговом напряжении UЗИ.ПОР < 0 за счет обеднения канала основными носителями проводимость его значительно уменьшается. Статические стоковые характеристики в этом случае будут иметь вид, изображенный на рис. 7, а стоко — затворная характеристика пересекает ось ординат в точке со значением тока IC.НАЧ. Особенностью МДП — транзистора с индуцированным каналом п — типа является возможность работы без постоянного напряжения смещения ( U ЗИ = 0) в режиме как обеднения, так и обогащения канала основными носителями заряда. МДП — транзистор с встроенным каналом имеет вольт-амперные характеристики, аналогичные изображенным на рис. 7. У МДП — транзисторов всех типов потенциал подложки относительно истока оказывает заметное влияние на вольт -амперные характеристики и соответственно параметры транзистора. Благодаря воздействию на проводимость канала подложка может выполнять функцию затвора. Напряжение на подложке относительно истока должно иметь такую полярность, чтобы р-п переход исток — подложка включался в обратном направлении. При этом р-п переход канал — подложка действует как затвор полевого транзистора с управляющим р-п переходом. 5. Рекомендации по применению полевых транзисторов. Рекомендации по применению полевых транзисторов. Полевые транзисторы имеют вольт- амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS — генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC — фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах. В рекомендации по использованию транзисторов для случая полевых транзисторов следует внести дополнения: 1. На затвор полевых транзисторов с р-п ( отрицательное для транзисторов с р — каналом и положительным для транзистора с п — каналом). 2. Полевые транзисторы с изолированным затвором следует хранить с закороченными выводами. При включении транзисторов в схему должны быть приняты все меры для снятия зарядов статического электричества. Необходимую пайку производить на заземленном металлическом листе, заземлить жало паяльника, а так же руки монтажника при помощи специального на выходе получаем радиоимпульс, причем длительностью радиоимпульса можно управлять, изменяя длительность и частоту повторения управляющего сигнала. В данном примере отношение времени наличия сигнала на выходе к времени его отсутствия составляет 50%. Принципиальным отличием второй схемы электронного ключа является наличие инвертора напряжения, выполненного на биполярном транзисторе КП814. Принцип его работы состоит в следующем: при наличии напряжения на управляющем входе биполярный транзистор открывается, и напряжение с источника питания стекает через резистор на землю – при отсутствии отрицательного напряжения на затворе полевого транзистора он открывается, и сигнал с входа проходит на усилитель. Таким образом в стационарном состоянии (при отсутствии сигнала на управляющем входе), в отличие от предыдущей, выключена и сигнал не пропускает. При появлении же отрицательного напряжения, наоборот, сигнал проходит. При тестировании мной использовался прямоугольный импульс частотой 20 КГц, амплитудой 7В, смещением -7В и отношением длительности импульса к времени повторения 70%. На выходе схемы получим: В третьей схеме аналогового ключа мной был использован полевой транзистор КП103 с управляющим n-p переходом и каналом p-типа. Его применение в данной схеме позволяет управлять работой устройства с помощью положительного прямоугольного импульса. В тесте был использован прямоугольный управляющий сигнал частотой 40 КГц, амплитудой 7В, со смещением +7В и отношением длины импульса к времени повторения 30%: На выходе операционного усилителя: Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. Пер. с нем., М., Наука, 1972.

Транзисторный выключатель питания. Логические схемы на переключателях тока Переключение двух ламп 12в на транзисторах схема

При работе со сложными схемами полезным является использование различных технических хитростей, которые позволяют добиться поставленной цели малыми усилиями. Одной из них является создание транзисторных ключей. Чем они являются? Зачем их стоит создавать? Почему их ещё называют «электронные ключи»? Какие особенности данного процесса есть и на что следует обращать внимание?

На чем делаются транзисторные ключи

Они выполняются с использованием полевых или Первые дополнительно делятся на МДП и ключи, которые имеют управляющий р-n-переход. Среди биполярных различают не/насыщенные. Транзисторный ключ 12 Вольт сможет удовлетворить основные запросы со стороны радиолюбителя.

Статический режим работы

В нём проводится анализ закрытого и открытого состояния ключа. В первом на входе находится низкий уровень напряжения, который обозначает сигнал логического нуля. При таком режиме оба перехода находятся в обратном направлении (получается отсечка). А на коллекторный ток может повлиять только тепловой. В открытом состоянии на входе ключа находится высокий уровень напряжения, соответствующий сигналу логической единицы. Возможной является работа в двух режимах одновременно. Такое функционирование может быть в области насыщения или линейной области выходной характеристики. На них мы остановимся детальнее.

Насыщение ключа

В таких случаях переходы транзистора являются смещенными в прямом направлении. Поэтому, если изменится ток базы, то значение на коллекторе не поменяется. В кремниевых транзисторах для получения смещения необходимо примерно 0,8 В, тогда как для германиевых напряжение колеблется в рамках 0,2-0,4 В. А как вообще достигается насыщение ключа? Для этого увеличивается ток базы. Но всё имеет свои пределы, равно как и увеличение насыщения. Так, при достижении определённого значения тока, оно прекращает увеличиться. А зачем проводить насыщение ключа? Есть специальный коэффициент, что отображает положение дел. С его увеличением возрастает нагрузочная способность, которую имеют транзисторные ключи, дестабилизирующие факторы начинают влиять с меньшей силой, но происходит ухудшение быстродействия. Поэтому значение коэффициента насыщения выбирают из компромиссных соображений, ориентируясь по задаче, которую необходимо будет выполнить.

Недостатки ненасыщенного ключа

А что будет, если не было достигнуто оптимальное значение? Тогда появятся такие недостатки:

  1. Напряжение открытого ключа упадёт потеряет примерно до 0,5 В.
  2. Ухудшится помехоустойчивость. Это объясняется возросшим входным сопротивлением, что наблюдается в ключах, когда они в открытом состоянии. Поэтому помехи вроде скачков напряжения будут приводить и к изменению параметров транзисторов.
  3. Насыщенный ключ обладает значительной температурной стабильностью.

Как видите, данный процесс всё же лучше проводить, чтобы в конечном итоге получить более совершенное устройство.

Быстродействие

Для этого используются элементы связи. Так, если первый ключ на выходе имеет высокий уровень напряжения, то на входе второго происходит открытие и работает в заданном режиме. И наоборот. Такая цепь связи существенно влияет на переходные процессы, что возникают во время переключения и быстродействия ключей. Вот как работает транзисторный ключ. Наиболее распространёнными являются схемы, в которых взаимодействие совершается только между двумя транзисторами. Но это вовсе не значит, что это нельзя сделать устройством, в котором будет применяться три, четыре или даже большее число элементов. Но на практике такому сложно бывает найти применение, поэтому работа транзисторного ключа такого типа и не используется.

Что выбрать

С чем лучше работать? Давайте представим, что у нас есть простой транзисторный ключ, напряжение питания которого составляет 0,5 В. Тогда с использованием осциллографа можно будет зафиксировать все изменения. Если ток коллектора выставить в размере 0,5мА, то напряжение упадёт на 40 мВ (на базе будет примерно 0,8 В). По меркам задачи можно сказать, что это довольно значительное отклонение, которое накладывает ограничение на использование в целых рядах схем, к примеру, в коммутаторах Поэтому в них применяются специальные где есть управляющий р-n-переход. Их преимущества над биполярными собратьями такие:

  1. Незначительное значение остаточного напряжения на ключе в состоянии проводки.
  2. Высокое сопротивление и, как результат — малый ток, что протекает по закрытому элементу.
  3. Потребляется малая мощность, поэтому не нужен значительный источник управляющего напряжения.
  4. Можно коммутировать электрические сигналы низкого уровня, которые составляют единицы микровольт.

Транзисторный ключ реле — вот идеальное применение для полевых. Конечно, это сообщение здесь размещено исключительно для того, чтобы читатели имели представление об их применении. Немного знаний и смекалки — и возможностей реализаций, в которых есть транзисторные ключи, будет придумано великое множество.

Пример работы

Давайте рассмотрим более детально, как функционирует простой транзисторный ключ. Коммутируемый сигнал передаётся с одного входа и снимается с другого выхода. Чтобы запереть ключ, на затвор транзистора используют подачу напряжения, которое превышает значения истока и стока на величину, большую в 2-3 В. Но при этом следует соблюдать осторожность и не выходить за пределы допустимого диапазона. Когда ключ закрыт, то его сопротивление относительно большое — превышает 10 Ом. Такое значение получается благодаря тому, что дополнительно влияет ещё и ток обратного смещения p-n перехода. В этом же состоянии емкость между цепью переключаемого сигнала и управляющим электродом колеблется в диапазоне 3-30 пФ. А теперь откроем транзисторный ключ. Схема и практика покажут, что тогда напряжение управляющего электрода будет близиться к нулю, и сильно зависит от сопротивления нагрузки и коммутируемой характеристики напряжения. Это обусловлено целой системой взаимодействий затвора, стока и истока транзистора. Это создаёт определённые проблемы для работы в режиме прерывателя.

В качестве решения данной проблемы были разработаны различные схемы, которые обеспечивают стабилизацию напряжения, что протекает между каналом и затвором. Причем благодаря физическим свойствам в таком качестве может использоваться даже диод. Для этого его следует включить в прямое направление запирающего напряжения. Если будет создаваться необходимая ситуация, то диод закроется, а р-n-переход откроется. Чтобы при изменении коммутируемого напряжения он оставался открытым, и сопротивление его канала не менялось, между истоком и входом ключа можно включить высокоомный резистор. А наличие конденсатора значительно ускорит процесс перезарядки емкостей.

Расчет транзисторного ключа

Для понимания привожу пример расчета, можете подставить свои данные:

1) Коллектор-эмиттер — 45 В. Общая рассеиваемая мощность — 500 mw. Коллектор-эмиттер — 0,2 В. Граничная частота работы — 100 мГц. База-эмиттер — 0,9 В. Коллекторный ток — 100 мА. Статистический коэффициент передачи тока — 200.

2) Резистор для тока 60 мА: 5-1,35-0,2 = 3,45.

3) Номинал сопротивления коллектора: 3,45\0,06=57,5 Ом.

4) Для удобства берём номинал в 62 Ом: 3,45\62=0,0556 мА.

5) Считаем ток базы: 56\200=0,28 мА (0,00028 А).

6) Сколько будет на резисторе базы: 5 — 0,9 = 4,1В.

7) Определяем базы: 4,1\0,00028 = 14,642,9 Ом.

Заключение

И напоследок про название «электронные ключи». Дело в том, что состояние меняется под действием тока. А что он собой представляет? Верно, совокупность электронных зарядов. От этого и происходит второе название. Вот в целом и все. Как видите, принцип работы и схема устройства транзисторных ключей не является чем-то сложным, поэтому разобраться в этом — дело посильное. Следует заметить, что даже автору данной статьи для освежения собственной памяти потребовалось немного попользоваться справочной литературой. Поэтому при возникновении вопросов к терминологии предлагаю вспомнить о наличии технических словарей и проводить поиск новой информации про транзисторные ключи именно там.

Сенсорный включатель – очень простая схема, которая состоит всего их двух транзисторов и нескольких радиоэлементов.

Сенсор – sensor – с англ. яз. – чувствительный или воспринимающий элемент. Данная схема позволяет подавать напряжение в нагрузку, прикоснувшись пальчиком к сенсору. В данном случае сенсором у нас будет проводок, идущий от базы . Итак, рассмотрим схемку:

Рабочее напряжение схемы 4-5 Вольт. Можно чуток и больше.

Схема ну очень простая. На мм макетной плате она будет выглядеть примерно вот так:


Желтый проводок от базы транзистора КТ315, который находится в воздухе, у нас будет сенсором.

Кто не помнит, где эмиттер, коллектор и база, ниже на фото показана цоколевка (расположение выводов) транзистора КТ361 (слева) и транзистора КТ315 (справа) . КТ361 и КТ315 различаются расположением буквы. У КТ361 эта буква находится посередине, а у КТ315 слева. Какая там буква – без разницы. В данном случае буква “Г” значит используются транзисторы КТ361Г и КТ315Г


В моем же случае я использовал транзисторы КТ315Б (ну что под руку попалось).

Вот видео работы этой схемы:

А что если с помощью такого сенсорного выключателя управлять мощной нагрузкой? Например, лампой накаливания на 220 Вольт? Просто вместо светодиода мы можем поставить ТТР.

В этой схеме я использовал Твердотельное реле (ТТР), хотя можно использовать и электромеханическое реле . При использовании электромеханического реле, не забываем параллельно катушке реле поставить защитный диод

Моя измененная схема на ТТР выглядит вот так:


А вот так она работает:

В интернете эта схема идет на трех транзисторах. Я ее немного упростил. Принцип работы схемы очень простой. При прикосновении пальчиком вывода базы транзистора VT2, на базу поступает синусоидальный сигнал с нашего тела. А откуда он берется? Наводки от сети 220 Вольт. Так вот, этих наводок вполне хватает, чтобы транзистор VT2 открылся, потом сигнал с VT2 поступает на базу VT1 и там усиливается еще больше. Мощности этого сигнала хватает, чтобы зажечь светодиод или подать управляющий сигнал на реле. Все гениально и просто!

» в мир современной электроники… Перед вами последняя часть данного курса.

Шаг 10: Светодиоды

Индикаторами, обычно называют светодиоды, которые являются настоящими незамеченными героями в мире электроники. Они формируют числа на электронных часах, передают информацию от дистанционных устройств, освещают приборные панели и оповещают пользователей о том, что используемые ими приборы включены. Если их собрать вместе, они смогут сформировать изображения на гигантском телевизионном экране или осветить светофор.

В основном светодиоды — простые крошечные лампочки, которые легко «монтируются» в электрическую схему. Но в отличие от обычных ламп накаливания, у них нет нити, которая может перегореть, а так же они не так греются, как лампы. Они излучают свет исключительно за счёт движения электронов в полупроводнике. Продолжительность жизни светодиода превосходит жизнь ламп накаливания на тысячи часов.

Светодиоды используются для освещения или для индикации.

Обычные светодиоды хороши в качестве индикаторов, поскольку они светят мягким и однородным светом, который хорошо видно под любым углом. У ярких светодиодов свет прямой и мощный, но вы не сможете увидеть их свечение под углом, потому что свет направлен только вперёд.

Светодиод — диод, на который оказывает влияние ток, а не напряжение. Он «питается» током в прямом направлении (плюс к минус, или анод к катоду) и начинает излучать свет при минимальном токе. Типичный красный светодиод потребляет от 10mA до 20mA. Если подать значение больше допустимого, светодиод просто сгорит.

Так как работа светодиода зависит от тока, и не зависит от напряжения, он не может быть подключён непосредственно к аккумулятору или источнику питания. Самый простой способ защитить светодиод от «убийственного» значения тока – это подключить его через резистор. Резистор снизит ток и приведёт его значение до приемлемого уровня.

Рассчитаем значение LED резистора по следующей формуле:

Значение Резистора LED, R = (напряжение питания — напряжение LED) / ток LED.

В нашем примере:

Возьмём, 9-вольтовую батарею (напряжение питания = 9 В). Напряжение для красного светодиода 2 В, ток – 20 мА.

Если у вас нет резистора с определенным значением, то выберите самое близкое стандартное сопротивление, которое немного больше рассчитанного. Если хотите увеличить время свечения, то можете выбрать более высокое значение резистора, чтобы уменьшить ток. Для 15mA , R = (9 — 2.0) / 15 мА = 466 Ом (используем более высокое стандартное значение = 470 Ом).

Шаг 11: Транзистор

Транзисторы можно рассматривать, как один из видов электронного переключателя.

(Для справки: транзисторный переключатель гораздо быстрее, чем механический)

Есть два основных типа транзисторов: биполярный и МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник). Биполярные транзисторы в свою очередь делиться на: N-P-N и P-N-P структуры. Большинство схем использует N-P-N структуру. Транзисторы изготавливаются в различных формах, но все они имеют три вывода. База — является ведущей и отвечает за активацию транзистора. Коллектор – положительный вывод. Эмиттер – отрицательный вывод. (У каждого элемента выводы располагаются в определенном порядке).

Транзистор — миниатюрный электронный компонент, который может выполнять две функции. Он может быть усилителем или переключателем.

Когда он работает усилителем, то берёт небольшой ток (входной ток) и увеличивает его значение (выходной ток). Другими словами, это — токоусилитель (используется в слуховых аппаратах).

Кроме того, транзисторы могут выполнять роль переключателей. Небольшой электрический ток, протекающий через одну часть транзистора, может активировать другую его сторону. Так работают все микросхемы. Например, микросхема памяти содержит сотни миллионов или даже миллиардов транзисторов, каждый из которых может быть включен или выключен индивидуально. Так как каждый транзистор может быть в двух отличных режимах, то он может сохранить два различных числа, ноль и один. С миллиардами транзисторов чип может сохранить миллиарды нолей, и почти столько же обычных знаков.

Режимы функционирования

В отличие от резисторов работа которых основывается на линейном соотношении между напряжением и током, транзисторы — нелинейные устройства. У них есть четыре отличающихся режима работы.

(Когда говорят об электрическом токе, что идёт через транзистор), мы, обычно, имеем в виду ток, протекающий из коллектора к эмиттеру, транзистора с N-P-N структурой.

Насыщенность – транзистор действует, как перемычка. Ток свободно протекает от коллектора к эмиттеру.

Отсечение – транзистор действует, как прерыватель цепи. Токи от коллектора к эмиттеру не идут.

Активный – ток от коллектора к эмиттеру пропорционален току, протекающему к базе.

Обратно-активный – как и в активном, ток пропорционален току базы, но протекает в обратном направлении.

Введя транзистор в режим отсечки или насыщения, можно создать двойной эффект включения — выключения. Транзисторы-переключатели используются, чтобы включают микроконтроллеры, микропроцессоры и другие интегральные схемы.

Транзисторный выключатель (ТВ)

Давайте рассмотрим фундаментальную схему «ТВ» N-P-N структуры. Воспользуемся им, чтобы управлять мощным светодиодом.

В то время как обычный переключатель «врезался бы в линию», ТВ управляется напряжением, которое поступает на базу. Контакт ввода-вывода микроконтроллера, может быть запрограммирован, так чтобы пропускать высокий или низкий ток, тем самым включать или выключать цепь.

Когда напряжение базы больше, чем 0.6 В, транзистор начинает насыщаться, что похоже на короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Когда напряжение меньше чем 0.6 В, транзистор находится в режиме отсечки – ток не проходит, это похоже на разомкнутую цепь между коллектором и эмиттером.

Такую схему подключения называют переключателем «низкой стороны». В качестве альтернативы, можем использовать транзистор PNP структуры для создания переключателя «высокой стороны».

Базовые резисторы

Вы заметили, что каждая из описанных схем использует последовательный резистор между вводом управления и базой транзистора. Не забывайте добавлять этот резистор! Транзистор без резистора на базе похож на светодиод без токоограничивающего резистора.

Вспомните, что, в некотором смысле, транзистор — просто пара соединенных диодов. Некоторые транзисторы могут быть рассчитаны только на максимум 10-100mA, что проходит через них. Если вы пропустите ток превышающий максимально допустимый, транзистор может взорваться.

Имя тип Vce Ic Вт ft
2N2222 NPN 40V 800mA 625mW 300MHz
BC548 NPN 30V 100mA 500mW 300MHz
2N3904 NPN 40V 200mA 625mW 270MHz
2N3906 PNP -40V -200mA 625mW 250MHz
BC557 PNP -45V -100mA 500mW 150MHz
TIP120 (power) NPN 60V 5A 65W

МОП — транзистор

МОП является другим типом транзистора, используемого для усиления или переключения электронных сигналов.

Основное преимущество МОП перед обычными транзисторами заключается в том, что он требует, малый ток для включения (меньше, чем 1mA) при выходе более высокого тока нагрузки (10 — 50А и больше).

У МОП чрезвычайно высокое входное сопротивление затвора с током, протекающим через канал между истоком и стоком под контролем напряжения на затворе. Из-за этого высокого входного сопротивления, МОП могут быть легко повреждены статическим электричеством.

МОП-ТРАНЗИСТОР идеален для использования в качестве электронных переключателей или в качестве усилителей с общим истоком, поскольку их потребляемая мощность очень небольшая.

Шаг 12: Стабилизаторы напряжения

Стабилизатор напряжения генерирует фиксированное выходное напряжение предварительно установленной величины, которое остаётся постоянным независимо от изменений величин входного напряжения и нагрузки. Есть два типа стабилизаторов напряжения:

  • Линейный;
  • Переменного напряжения.

Рассеиваемая мощность линейного регулятора прямо пропорциональна выходному току для напряжения ввода и вывода, таким образом, типичный КПД составляет 50% или ещё ниже. Используя оптимальные компоненты, стабилизатор переменного напряжения может достигнуть КПД 90%. Однако мощность помех на выходе от линейного регулятора намного ниже, чем у переменного с теми же выходными напряжениями и аналогичными характеристиками. Как правило, переменный может управлять более высокими текущими нагрузками, чем линейный стабилизатор.

Линейный стабилизатор есть не что иное, как делитель напряжения, на вход которого подаётся входное (нестабильное) напряжение, а выходное (стабилизированное) напряжение снимается с нижнего плеча делителя. Стабилизация осуществляется путём изменения сопротивления одного из плеч делителя: сопротивление постоянно поддерживается таким, чтобы напряжение на выходе стабилизатора находилось в установленных пределах.

Существует два типа линейного стабилизатора:

Фиксированные

«Фиксированные» линейные стабилизаторы с тремя терминалами стабилизируют постоянные напряжения 3 В, 5 В, 6 В, 9 В, 12 В или 15 В, когда нагрузка составляет меньше чем 1.5 А. Ряд «78xx» (7805, 7812, и т.д.) регулирует положительные напряжения, в то время как «79xx» (7905, 7912, и т.д.) регулируют отрицательные напряжения. Часто, последние две цифры — выходное напряжение (например, 7805 — +5вольтовый стабилизатор, в то время как 7915 — −15 В стабилизатор).

Переменные

Такой тип генерирует фиксированное низкое номинальное напряжение между выходом и корректировочным терминалом (эквивалентный клемме заземления в фиксированном). Семейство устройств включает такие как LM723 (низкой мощности) и LM317 и L200 (средней мощности). Некоторые переменные доступны в сборках больше чем с тремя контактами, включая корпуса с двухрядным расположением выводов. Они предоставляют возможность скорректировать выходное напряжение при помощи внешних резисторов с известными значениями.

Серия (+1.25V) LM317 регулирует положительные напряжения, в то время как серия LM337 (−1.25V) регулирует отрицательные напряжения.

Применение линейных стабилизаторов

L7805 (Стабилизатор напряжения — 5 В): Это — основной стабилизатор напряжения, положительный регулятор с тремя терминалами с 5 В фиксированным выходным напряжением. Максимальный выходной ток до 1.5 А.

L7812 (Стабилизатор напряжения — 12 В): Это — основной стабилизатор напряжения, положительный регулятор с тремя терминалами с 12 В фиксированным выходным напряжением. Максимальный выходной ток до 1.5 А.

LM317 («Подстроечный»1.25 В к 37 В): — регулятор положительного напряжения с тремя терминалами, способный выдавать больше чем 1.5А, по диапазону выходного напряжения 1.25 В к 37 В. Он требует, наличия двух внешних резисторов, установленных на выходном напряжении.

Стабилизаторы переменного напряжения это устройства, предназначенные для поддержания постоянного значения напряжения, независимо от его колебания во входной цепи.

Повышающий стабилизатор

Это преобразователь постоянного тока с выходным напряжением, больше, чем его входное напряжение.

Типичный пример преобразователя повышения LM27313. Эта микросхема разработана для использования в системах низкой мощности, таких как камеры, мобильные телефоны и устройства GPS. Другой общий корректируемый преобразователь — LM2577.

Шаг 13: Интегральные схемы

Интегральная схема (ИC) (иногда называется микросхемой или микрочипом) – является полупроводниковой пластиной, на которой выполнены тысячи или миллионы крошечных резисторов, конденсаторов и транзисторов. ИC может функционировать как усилитель, осциллятор, таймер, счетчик, память компьютера или микропроцессор.

У линейных ИС есть вывод с плавной регулировкой (теоретически способный достичь бесконечного числа состояний), который зависит от уровня входного сигнала. Линейные ИС используются в качестве усилителей звуковой частоты (AF) и радиочастоты (RF). Операционный усилитель (операционный усилитель) является общим устройством в этих приложениях.

Цифровые ИС работают только на нескольких определённых уровнях или состояниях, а не по непрерывному диапазону амплитуд сигнала. Эти устройства используются в компьютерах, компьютерных сетях, модемах и частотомерах. Фундаментальные стандартные блоки цифровых ИС — логические элементы, которые работают с двоичными данными, т.е. сигналы, у которых есть только два различных состояния низкое (логика 0) и высокое (логика 1).

В зависимости от способа производства, интегральные схемы могут быть разделены на две группы: гибрид и монолитный.

Нумерация контактов (цоколёвка)

Каждая «ножка» микросхемы имеет свой определенный номер и ряд функций, которые она выполняет. На рисунке показана метка, благодаря которой можно определить первый контакт чипа.

Одна из основных характеристик корпуса — способ, которым он монтируются на печатную плату. Либо это выводные контакты либо поверхностный монтаж.

Спасибо за внимание!

В настоящее время в радиоэлектронной аппаратуре часто применяют электронные выключатели, в которых одной кнопкой можно осуществлять как ее включение, так и выключение. Сделать такой выключатель мощным, экономичным и малогабаритным можно, если применить полевой переключательный транзистор и цифровую КМОП микросхему.

Схема простого выключателя приведена на рис. 1. Транзистор VT1 выполняет функции электронного ключа, а триггер DD1 им управляет. Устройство постоянно подключено к источнику питания и потребляет небольшой ток — единицы или десятки микроампер.

Если на прямом выходе триггера высокий логический уровень, то транзистор закрыт, нагрузка обесточена. При замыкании контактов кнопки SB1 триггер переключится в противоположное состояние, на его выходе появится низкий логический уровень. Транзистор VT1 откроется, и напряжение поступит на нагрузку. В таком состоянии устройство будет находиться до тех пор, пока снова не окажутся замкнутыми контакты кнопки. Тогда транзистор закроется, нагрузка обесточится.

Указанный на схеме транзистор имеет сопротивление канала 0,11 Ом, а максимальный ток стока может достигать 18 А. Следует учитывать, что напряжение затвор-сток, при котором транзистор открывается, составляет 4…4,5 В. При напряжении питания 5…7 В ток нагрузки не должен превышать 5 А, в противном случае падение напряжения на транзисторе может превысить 1 В. Если напряжение питания больше, ток нагрузки может достигать 10… 12 А.

Когда ток нагрузки не превышает 4 А, транзистор можно использовать без теплоотвода. Если ток больше, необходим теплоотвод, либо следует применить транзистор с меньшим сопротивлением канала. Подобрать его нетрудно по справойной таблице, приведенной в статье «Мощные переключательные транзисторы фирмы International Rektifier» в «Радио», 2001, №5, с. 45.

На такой выключатель можно возложить и другие функции, например, автоматическое отключение нагрузки при снижении или превышении питающим напряжением заранее установленного значения. В первом случае это может понадобиться при питании аппаратуры от аккумуляторной батареи, чтобы не допустить ее чрезмерного разряда, во втором — для защиты аппаратуры от завышенного напряжения.

Схема электронного выключателя с функцией отключения при снижении напряжения приведена на рис. 2. В него дополнительно введены транзистор VT2,стабилитрон,конденсатор и резисторы, один из которых — подстроенный (R4).

При нажатии на кнопку SB 1 полевой транзистор VT1 открывается, напряжение поступает на нагрузку. Из-за зарядки конденсатора С1 напряжение на коллекторе транзистора в начальный момент не превысит 0,7 В, т.е. будет иметь низкий логический уровень. Если напряжение на нагрузке станет больше установленного подстроечным резистором значения, на базу транзистора поступит напряжение, достаточное для его открывания. В этом случае на входе «S» триггера останется низкий логический уровень, а кнопкой можно включать и выключать питание нагрузки.

Как только напряжение снизится ниже установленного значения, напряжение на движке подстроечного резистора станет недостаточным для открывания транзистора VT2 — он закроется. При этом на коллекторе транзистора напряжение увеличится до высокого логического уровня, который поступит на вход «S» триггера. На выходе триггера появится также высокий уровень, что приведет к закрыванию полевого транзистора. Нагрузка обесточится. Нажатия на кнопку в этом случае приведут только к кратковременному подключению нагрузки и последующему ее отключению.

Для введения защиты от превышения питающего напряжения автомат следует дополнить транзистором VT3, стабилитроном VD2 и резисторами R5, R6. В этом случае устройство работает аналогично описанному выше, но при увеличении напряжения выше определенного значения транзистор VT3 откроется, что приведет к закрыванию VT2, появлению высокого уровня на входе «S» триггера и закрыванию полевого транзистора VT1.

Кроме указанных на схеме, в устройстве можно применить микросхему К561ТМ2, биполярные транзисторы КТ342А-КТ342В, КТ3102А-КТ3102Е, стабилитрон КС156Г. Постоянные резисторы — МЛТ, С2-33, Р1-4, подстроенные — СПЗ-3, СПЗ-19, конденсатор — К10 17, кнопка — любая малогабаритная с самовозвратом.

При использовании деталей для поверхностного монтажа (микросхема CD4013, биполярные транзисторы КТ3130А-9 — КТ3130Г-9, стабилитрон BZX84C4V7, постоянные резисторы P1-I2, конденсатор К10-17в) их можно разместить на печатной плате (рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита размерами 20×20 мм. Внешний вид смонтированной платы показан на рис. 4.

Производители полупроводниковых приборов разрабатывают новые, более совершенные изделия, что дает возможность радиолюбителям, в свою очередь, создавать простые компактные устройства с улучшенными параметрами, недостижимыми всего лишь несколько лет назад. Один из примеров тому пред-ставлен в публикуемой ниже статье, в которой описан мощный электронный включатель-выключатель, способный во многих случаях потеснить своего электромагнитного конкурента.

На рис. 1 представлена схема одного из вариантов мощного электронного реле, предназначенного для коммутации тока нагрузки до 20 А при напряжении 5…20 В. Устройство собрано на базе мощного п-канального транзистора МДП АРМ2556NU), имеющего сопротивление канала не более 5,7 мОм при напряжении затвор-исток 10 В или не более 10 мОм при 4,5 В. Столь малое сопротивление открытого канала позволяет с помощью этого прибора коммутировать большой ток, причем установка транзистора на теплоотвод при невысокой частоте переключения (единицы — десятки килогерц) обычно не требуется. Устройство может быть использовано, например, как электронный включатель-выключатель выходного напряжения в мощном блоке питания, мощных источников света в аккумуляторных фонарях, низковольтных электродвигателей, тяговых электромагнитов и для множества других применений.
Использование в качестве основного коммутирующего элемента мощного транзистора МДП в сравнении с электромагнитным реле позволяет получить меньшее сопротивление «замкнутых контактов», отсутствие их выгорания и искровых помех, более высокое быстродействие (при электронном управлении). Кроме того, такой электронный переключатель будет иметь меньшие габариты и массу, чем электромагнитные реле на ток 10…20 А, а также значительно меньший ток, потребляемый цепями управления.
Управлять электронным переключателем можно двумя малогабаритными кнопками без фиксации, например, герконовыми, мембранными или резиновыми с токопроводящим покрытием.

На рис. 2 для сравнения габаритов показаны электромагнитное реле С71-2А-Р фирмы Omron, контакты которого рассчитаны на коммутацию тока 20 А, и макет электронного реле на
транзисторе МДП. Электронный узел даже при относительно просторном монтаже занимает вчетверо меньший объем (кнопки и светодиод смонтированы вне платы) и значительно легче.
При подаче напряжения на вход устройства, полевой транзистор VT2 остается закрытым, подключенная к выходу нагрузка — обесточенной, светодиод НL1 — выключенным. Чтобы подать напряжение на нагрузку, необходимо на короткое время нажать на кнопку SB1. Это приведет к открыванию транзистора VТ1 и вслед за ним транзистора VT2.
О поступившем к нагрузке напряжении проинформирует включившийся светодиод HL1. Конденсаторы СЗ и С4, а также С1, С2, С5, С6 устраняют воз-можное влияние на состояние транзисторов различных помех. Диоды VD2- VD5 предназначены для принудительного выключения устройства при снижении входного напряжения примерно до 3 В, что предохраняет полевой транзистор VT2 от перегревания.
Дело в том, что столь глубокое уменьшение напряжения затвор-исток транзистора \/Т2 резко увеличивает сопротивление канала и, как следствие, выделяемую в нем тепловую мощность, особенно при большом нагрузочном токе. Для того чтобы предохранить полевой транзистор от перегревания, предусмотрена цепь R5VD2-VD5, закрывающая оба транзистора.
Варистор RU1 и стабилитрон VD1 защищают сравнительно низковольтный полевой транзистор от всплесков напряжения, например, от ЭДС самоиндукции электродвигателя, подключенного к входу или выходу устройства, или, например, от случайного повреждения статическим электричеством при прикосновении к затвору транзистора \/Т2 отверткой (или другими металличе¬скими предметами).
Для выключения устройства достаточно кратковременного замыкания контактов кнопки SB2. Управлять состоянием транзистора VT2 можно не только мало-мощными миниатюрными кнопками, но и, например, двумя оптронами или маломощными герконовыми реле. Следует отметить, что в выключенном состоянии переключатель практически не потребляет энергии.
Экспериментальный образец устройства был смонтирован на монтажной плате размерами 46×27 мм из стеклотекстолита навесным монтажом. Сильноточные цепи выполнены короткими отрезками монтажного провода сечением не менее 1,2 мм.
Транзистор АРМ2556NU в миниатюрном корпусе Т0252 допускает максимальное напряжение сток-исток 25 В. При токе стока 40 А и напряжении затвор-исток 10 В или 20 А при напряжении затвор-исток 4,5 В типовое зна¬чение сопротивления открытого канала не превышает 4,5 и 7,5 мОм соответственно. Максимально допустимый постоянный ток стока транзистора при температуре корпуса 25 °С — 60 А.
Транзистор следует припаять к теплоотводу с полезной площадью поверхности не менее 7 см/2 на случай работы при пониженном напряжении питания с большим током нагрузки. При монтаже транзистора необходимо принимать меры по его защите от пробоя статическим электричеством.
Транзисторы АРМ2556NU, предназначенные для работы в понижающих импульсных стабилизаторах напряжения, сейчас широко используют в со-временных высокопроизводительных видеокартах и компьютерных системных платах. Заменить этот транзистор можно двумя соединенными параллельно миниатюрными, но имеющими вдвое большее сопротивление открытого канала транзисторами АРМ25101NU (8,5 МОм при U3-и = 10 В) или другими аналогичными, управляемыми низким напряжением затвор-исток. При ис-пользовании транзисторов с большим чем у АРМ25561NU, сопротивлением ка-нала для сохранения малого сопротивления переключательного элемента можно включить несколько однотипных полевых транзисторов, соединенных параллельно.
Транзистор 2SA733B заменим любым из серий 2SА733. 2SА992, SS9015, КТ3107, КТ6112. Вместо BZV55С15 подойдет стабилитрон 1N744А, TZМС-15, 2С215Ж, КС215ЖА, а вместо 1N148 — диод 1 N914 (или любые из серий КД522, КД521). Светодиод — любой общего применения, желательно с повышенной светоотдачей, например, из серий КИПД40, КИПД66. Для каждого конкретного напряжения на нагрузке следует подбирать резистор с тем, чтобы не превысить номинальный ток светодиода.
Оксидные конденсаторы — К50-68, К53-19 или импортные. Остальные — К10-17, К10-50. Варистор FNR-05K220 можно заменить любым маломощным на 18…22 В, например FNR-05K180.
Безошибочно собранное из исправных деталей устройство не требует на-лаживания.
В зависимости от конкретных особенностей применения предлагаемый для повторения коммутатор можно упростить или усовершенствовать. Например, если исключены всплески напряжения со стороны источника питания или подключенной нагрузки, можно обойтись без варистора RU1. Также можно отказаться от защитного стабилитрона VD1, если напряжение источника питания не превысит 15 В и исключены всякие прикосновения к выводу затвора транзистора VT2.
Если в цепь нагрузки ввести последовательно обмотку самодельного герконового реле, разомкнутые контакты которого подключены параллельно контактам кнопки SB2, то питание нагрузки будет автоматически отключаться при увеличении потребляемого ею тока выше заданного. Для изготовления такого реле на баллон геркона КЭМЗ надо намотать несколько витков толстого (диаметром 0,7…1,2 мм) обмоточного провода. Так, например, с катушкой из семи витков провода ПЭВ-2 0,68 реле сработает при токе около 5 А. Требуемое число витков для желаемого тока срабатывания защиты для конкретного экземпляра геркона определяют экспериментально.

Ключи на полевых транзисторах

      1. Общая характеристика

Применительно к использованию в качестве электронного ключа следует отметить следующие особенности полевых транзисторов.

  • Управление электрическим полем предполагает управление напряжением, что, позволяет свести практически к нулю мощность, расходуемую на поддержание стационарных включенного и выключенного состояний. Поэтому теоретически в установившемся режиме коэффициенты передачи полевого транзистора по току и мощности стремятся к бесконечности.

  • Полевой транзистор сохраняет свои характеристики при смене полярности напряжения, приложенного между выводами стока и истока. Поэтому коммутируемое напряжение ключевой схемы на полевых транзисторах может изменять свою полярность, т. е. ее статические характеристики передачи лежат в двух квадрантах.

  • Так как ток полевого транзистора определяется только движением основных для полупроводника носителей заряда, то при его переключении принципиально, отсутствуют процессы, связанные с изменением объемного заряда неосновных носителей. Поэтому переходные процессы в полевом транзисторе обусловлены только процессами перезарядки соответствующих емкостей.

Указанные особенности предопределяют все более широкое применение полевых транзисторов в различных электронных устройствах. Однако в схемах коммутации эти несомненные достоинства могут быть реализованы только при учете специфических свойств полевого транзистора. К этим свойствам, в первую очередь, следует отнести следующее.

  • Полевой транзистор обладает худшими ключевыми свойствами по сравнению с биполярным, что выражается в больших уровнях остаточного напряжения и выходного сопротивления во включенном состоянии.

  • Рис. 105

    лц2рис0

    Выходная ВАХ полевого транзистора на начальном участке качественно отличается от аналогичной характеристики биполярного транзистора зависимостью производной от управляющего напряжения (рис. 105). Вследствие этого остаточное падение напряжения на включенном полевом транзисторе сильно зависит от значения управляющего напряжения. Для биполярного транзистора, находящегося в режиме насыщения, такая зависимость полностью отсутствует. Ослабить данный недостаток можно уменьшением рабочего тока стока, т. е. увеличением сопротивления нагрузки.
  • При увеличении частоты коммутации значительно возрастает входной ток полевого транзистора, что обусловлено необходимостью перезаряда его входной емкости. Следовательно, коэффициент усиления по мощности с ростом частоты падает.

Таким образом, полностью реализовать преимущества схемы коммутации, выполненной на полевых транзисторах, можно только при невысоких частотах переключения и использовании специальных схемотехнических решений, позволяющих повысить скорость перезаряда входной емкости транзистора.

Полевой транзистор, может быть использован в качестве электронного ключа для коммутации цепей различного назначения. При этом полевые транзисторы с управляющим p-n переходом обычно применяются в качестве ключа аналоговых

Рис. 106

лц2рис2

сигналов. Ключи, выполненные на полевых транзисторах с изолированным затвором, нашли применение в импульсных и цифровых устройствах.

На рис. 106 показана схема электронного ключа, выполненного на МДП-транзисторе с индуцированным каналом. Полярности входного () и выходного () напряжений для транзистора этого типа совпадают, поэтому данные транзисторы широко используются в однополярных схемах коммутации.

Показанная на рисунке схема является схемой с общим истоком. Резистор в цепи стока выполняет роль балластного сопротивления, ограничивающего ток стока транзистора. Нагрузка в данной схеме может подключаться параллельно выводам стока и истока транзистора, либо вместо резистора .

Открытое статическое состояние МДП-транзистора обеспечивается при выполнении следующего условия:

,

где — некоторое пороговое напряжение.

Открытый МДП-транзистор тем ближе к идеальному замкнутому ключу, чем меньше на нем падение напряжения, называемое остаточным напряжением . Ток стока , протекающий через открытый транзистор, практически полностью задается внешней цепью:

.

Остаточное напряжение может быть определено как произведение тока стока на сопротивление канала , поэтому можно утверждать, что остаточное напряжение определяется отношением сопротивления канала к сопротивлению нагрузки: .

Если напряжение исток-затвор меньше порогового, то МДП-транзистор находится в закрытом состоянии. Степень приближения к идеальному разомкнутому ключу в этом случае определяет ток, текущий через транзистор, называемый остаточным током. Этот ток равен обратному току p-n перехода и не превышает долей мкА. Поэтому падением напряжения на нагрузке можно пренебречь и считать, что напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению питания.

Быстродействие МДП-транзистора определяется двумя факторами: перезарядом емкости затвора и перезарядом межэлектродных емкостей. Так как в ключевом режиме наблюдаются большие перепады напряжений на затворе и стоке транзистора, то может возникнуть необходимость учета зависимости указанных емкостей от напряжений.

Рис. 107

лц2рис3

Пусть в начальный момент времени транзистор открыт и на нем падает некоторое остаточное напряжение (рис. 107). При подаче в момент времени запирающего напряжения ток в транзисторе за время спадает практически до нуля и транзистор запирается. Одновременно начинается заряд емкости нагрузки от источника питания через сопротивление . Выходное напряжение ключа нарастает по экспоненциальному закону:

.

Из данного выражения можно определить длительность фронта выходного напряжения: .

При подаче на затвор транзистора отпирающего напряжения (момент ) ток стока со скоростью, определяемой постоянной времени , достигнет максимального значения . Этим током начинает разряжаться емкость нагрузки и напряжение на стоке транзистора уменьшается. К моменту ток стока уменьшится до установившегося значения.

Длительность спада выходного напряжения определяется следующим выражением: . Так как , то длительность спада импульса выходного напряжения существенно меньше длительности его фронта.

Полевой транзистор как коммутатор (JFET)

Добавлено 5 апреля 2018 в 07:38

Сохранить или поделиться

Как и биполярный родственник, полевой транзистор может использоваться в качестве коммутатора вкл/выкл, управляющего подачей питания на нагрузку. Давайте начнем исследование использование полевого транзистора в качестве коммутатора со знакомой схемы включения лампы:

Помня о том, что управляемый ток в полевом транзисторе течет между истоком и стоком, мы заменяем контакты ключа на рисунке выше выводами истока и стока:

Если вы еще не заметили, выводы истока и стока полевого транзистора выглядят на условном обозначении одинаково. В отличие от биполярного транзистора, где эмиттер четко отличается от коллектора наличием стрелки, линии истока и стока полевого транзистора выглядят как линии, перпендикулярные полосе, представляющей полупроводниковый канал. Это не случайно, поскольку выводы истока и стока полевого транзистора на практике часто являются взаимозаменяемыми! Другими словами, полевые транзисторы обычно способны обрабатывать ток канала любого направления, от истока к стоку или от стока к истоку.

Теперь всё, что нам нужно на схеме, – это способ управления проводимостью полевого транзистора. При нулевом приложенном напряжении между затвором и истоком канал полевого транзистора будет «открыт», что позволит току протекать к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить еще один источник постоянного напряжения между выводами затвора и истока полевого транзистора следующим образом:

Замыкание этого ключа «пережмет» канал полевого транзистора, заставив его перейти в режим отсечки и выключить лампу:

Обратите внимание, что через затвор ток не протекает. Как PN переход с обратным смещением, он твердо противостоит потоку через него любых электронов. Как устройство, управляемое напряжением, полевой транзистор требует незначительного входного тока. Это является достоинством полевого транзистора по сравнению с биполярным транзистором: для управляющего сигнала требуется практически нулевая мощность.

Размыкание управляющего ключа должно снова отключить от затвора постоянное напряжение обратного смещения, таким образом позволяя транзистору снова открыться. В идеале, так это должно работать. На практике это может не работать вовсе:

После размыкания ключа ток через лампу не протекает!

Почему? Почему канал полевого транзистора не открывается снова и не пропускает ток через лампу, как он делал ранее без напряжения, приложенного между затвором и истоком? Ответ заключается в работе обратно смещенного перехода затвор-исток. Область истощения в этом переходе действует как изолирующий раздел, отделяющий затвор от истока. Таким образом, он обладает определенной емкостью, способной хранить потенциал электрического разряда. После того, как этот переход был принудительно обратно смещен подачей внешнего напряжения, он будет стремиться удерживать это напряжение обратного смещения, как сохраненный заряд, даже после того, как источник этого напряжения был отключен. То, что необходимо для повторного открытия полевого транзистора, заключается в том, чтобы слить этот накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

Через резистор стекает заряд, сохраненный в PN переходе, чтобы позволить транзистору открыться снова

Величина резистора не очень важна. Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно высокоомный разрядный резистор создает быструю постоянную времени RC цепи, позволяя транзистору снова начать проводить ток с небольшой задержкой после размыкания ключа.

Как и с биполярным транзистором, не имеет большого значения, откуда подается управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечный элемент, термопару или любой другой тип устройства, генерирующего напряжение, чтобы обеспечить напряжение, управляющее проводимостью полевого транзистора. Всё, что требуется от источника напряжения для работы коммутатора на полевом транзисторе, – это достаточное напряжение, чтобы обеспечить отсечку канала полевого транзистора. Этот уровень обычно составляет несколько вольт постоянного напряжения и называется напряжением срабатывания или отсечки. Точное напряжение срабатывания для любого заданного полевого транзистора является функцией его уникальной конструкции и не является универсальным значением, например, как 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого биполярного транзистора.

Подведем итоги:

  • Полевые транзисторы управляют током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе (JFET) имеется PN-переход между затвором и истоком, который для управления током исток-сток обычно смещается в обратном направлении.
  • Полевые транзисторы являются обычно нормально открытыми (нормально насыщенными) устройствами. Прикладывание напряжения обратного смещения между затвором и истоком приводит к расширению области истощения этого перехода, тем самым «пережимая» канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.
  • Может потребоваться установить «отводящий» резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить сохраненный заряд, накопленный естественной емкостью перехода, когда будет снято управляющее напряжение. В противном случае заряд может сохраняться, удерживая полевой транзистор в режиме отсечки даже после отсоединения источника питания.

Оригинал статьи:

Теги

КоммутацияОбучениеПолевой транзисторТранзисторный ключЭлектроника

Сохранить или поделиться

Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере

Полевые транзисторы служат опорой современной микроэлектроники. Без них не было бы ни СБИС, ни ПЛИС, ни MK. Все современные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки построены на полевых транзисторах, и достойной альтернативы им пока не видно.

На выходах портов MK находятся каскады с полевыми транзисторами. Казалось бы, что подключить к ним ещё одного полевого «тёзку» — проще простого. Однако новичок-радиолюбитель впадает в шоковое состояние, узнав, что существуют десятки разновидностей полевых транзисторов с разной структурой проводимости, разной топологией изоляции затвора, разной технологией легирования канала, разными фирменными названиями и брэндами, а также разными условными графическими изображениями на электрических схемах.

К счастью, в цифровой, импульсной и преобразовательной технике, как правило, используются полевые МДП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие n- или  -проводимость канала. Это достаточно узкий класс электронных приборов, хорошо исследованный и легко поддающийся изучению.

Для прямого сопряжения с MK подойдут те полевые транзисторы, которые имеют низкое напряжение отсечки «затвор — исток» (параметр Gate Theshold Voltage в пределах 0.5…2.5 В). Технологические достижения последнего десятилетия сделали такие транзисторы малогабаритными и дешёвыми. Мощные полевые транзисторы обычно подключаются к MK через буферные каскады.

Если сравнивать полевые и биполярные транзисторы, то выводы «база — коллектор — эмиттер» (Base — Collector — Emitter) в первом приближении эквивалентны выводам «затвор — сток — исток» (Gate — Drain — Source). Соответственно, схемы ключевых каскадов у них будут очень похожими. Из отличий — полевые транзисторы управляются напряжением, а не током. Они имеют высокое входное и низкое выходное сопротивление, что улучшает экономичность. С другой стороны, большая ёмкость перехода «затвор — исток» 100…3000 пФ снижает быстродействие, а значительный технологический разброс параметров заставляет проектировать схемы с перестраховкой и с запасом «на всякий пожарный случай».

На Рис. 2.69, а…ж и Рис. 2.70, a…r приведены схемы ключевых каскадов соответственно с одним и двумя полевыми транзисторами. На Рис. 2.71, a…r представлены варианты совместного включения полевых и биполярных транзисторов.

Таблица 2.11. Параметры полевых транзисторов

В Табл. 2.11 приведены типовые параметры полевых транзисторов разной мощности. Транзисторы с я-каналом аналогичны транзисторам структуры п—р—п, а транзисторы с  -каналом — транзисторам структуры р—п—р. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (начало):

а) классический инвертирующий ключ на л-канальном транзисторе VT1. Главным параметром при выборе транзистора является напряжение отсечки затвора, которое при рабочем токе нагрузки RH не должно превышать напряжение питания MK. Резистор R3 (R1) сопротивлением 51…510 кОм ставят, чтобы транзистор VT1 был закрыт в следующих случаях: при рестарте MK, при срабатывании супервизора просадок питания, при пропадании напряжения +5 В, при переводе линии MK в Z-состояние. Резистор R3 ускоряет разряд ёмкости затвора. Резистор R2 защищает линию MK от наводок большой амплитуды через цепь затвора со стороны стока при коммутации мощных нагрузок. Он обязателен при высоких напряжениях в нагрузке и большом уровне помех. Резисторы R1, R3 допускается не ставить, если нагрузка не критична к случайным включениям. По большому счёту затвор полевого транзистора VT1 в данной схеме может «висеть в воздухе», поскольку его защищают от статического электричества внутренние диоды MK;

б) диоды VD1, VD2 ставят для защиты полевого транзистора VT1 от выбросов напряжения в индуктивной нагрузке и для снижения помех в цепи питания. Современные полевые транзисторы серии MOSFET имеют встроенные мощные диоды, аналогичные VD2. Резисторы R1, R2 можно не ставить при низких напряжениях и резистивной нагрузке;

в) гальванически изолированое включение/выключение транзистора VT1. На выходе MK генерируется ВЧ-сигнал, который выпрямляется и фильтруется элементами VD1…VD4, C3, R2. Стабилитрон VD5 защищает затвор транзистора VT1. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита N30, обмотка I содержит 15, а обмотка II — 30 витков провода ПЭВ-0.2;

г) ключ на полевом  -канальном транзисторе VT1 эквивалентен ключу на биполярном транзисторе р—п—р. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК  транзистор VT1 закрыт, а при переводе в режим входа с Z-состоянием транзистор открывается из-за наличия резистора R1\ О

О Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (окончание):

д) предохранитель FU1 срабатывает при аварийном токе в нагрузке RH;

е) часть схемы электронного дверного звонка. Защита транзистора VT1 производится варторами RU1, RU2n конденсатором C1. Индикатор прихода гостей — светодиод HL1\

ж) диод VD1 защищает линию МК  от высокого напряжения при пробое транзистора VT1 и от наведенных помех при наличие мощной индуктивной нагрузки RH.

а) последовательное включение n- и  -канальных транзисторов VT1, VT2 для коммутации «высоковольтной» нагрузки RH. Диод VD1 ускоряет разряд ёмкости затвора транзистора VT1\

б) параллельное включение двух полевых транзисторов для увеличения тока нагрузки;

в) DA1 — это специализированный драйвер (фирма International Rectifier), обслуживающий мощные полевые транзисторы VT1, VT2 (ток до 1.5 А). Диод VD1 повышает надёжность; О

О Рис. 2.70. Схемы подключения двух полевых транзисторов к MK (окончание):

г)         преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное напряжение 220 В (DC/AC). Двухтактный каскад на транзисторах K77, VT2 управляется буферной логической микросхемой DD1. Сигналы с выходов МК  должны быть противофазными, но с небольшой «бестоковой» паузой, равной 10% от длительности периода (для устранения сквозныхтоков и повышения КПД). Конденсатор С/ компенсирует реактивность обмотки трансформатора T1 и приближает форму выходного сигнала 50 Гц к синусоиде.

Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(начало):

а) буферный биполярный транзистор VT1 управляет мощным полевым транзистором VT2. Подбором резистора R4 можно уменьшить выбросы напряжения на стоке транзистора VT2, возникающие в момент переключения сигнала;

б) биполярный ключ на транзисторе VT1 (возможная замена KT503) ускоряет разряд ёмкости затвора мощного полевого транзистора VT2. Конденсатор C1 увеличивает крутизну фронта сигнала, поступающего с выхода MK. Резистор R1 обеспечивает открытое состояние транзистора VT1 и закрытое состояние транзистора VT2 при рестарте MK; О

О Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(окончание):

в) резисторы R1, R2 одновременно не дают «висеть в воздухе» базе транзистора VT1 и затвору транзистора VT2npu рестарте MK;

г) маломощный биполярный транзистор VT1, как правило, дешевле полевого аналога, а полевой транзистор VT2 обеспечивает более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем биполярный аналог.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Пособие по проектированию схем на полевых транзисторах

»Примечания по электронике

Полевые транзисторы

широко используются как в дискретных, так и в микросхемах, где они обеспечивают усиление по напряжению и высокие входные сопротивления.


Конструкция схемы полевого транзистора, полевого транзистора Включает:
Основы проектирования схемы полевого транзистора Конфигурации схемы Общий источник Общий дренажный / истоковый повторитель Общие ворота


Полевые транзисторы используются в схемотехнике, поскольку они способны обеспечить очень высокие уровни входного импеданса наряду со значительным усилением напряжения.

В отличие от биполярного транзистора, который является устройством с контролем тока, полевой транзистор управляется напряжением. Это приводит к тому, что конструкция схем на полевых транзисторах сильно отличается от конструкции схем на биполярных транзисторах.

Однако схемы с усилением по току и напряжению все еще могут быть спроектированы и приняты аналогичные форматы схем.

Основы схемы полевого транзистора

При рассмотрении использования схемы полевого транзистора необходимо учитывать технологию полевого транзистора, и тип полевого транзистора будет наиболее подходящим.

Примечание по технологии полевых транзисторов:

Полевой транзистор FET — это трехконтактное устройство, обеспечивающее усиление по напряжению. Имея высокий входной импеданс, электрическое поле рядом с входным выводом, называемым затвором, изменяет ток, протекающий в так называемом канале между выводами, называемом истоком и стоком.

Подробнее о полевом транзисторе и принципах его работы

Полевой транзистор имеет три электрода:

  • Источник: Источник — это электрод на полевом транзисторе, через который в канал попадают основные носители, т.е.е. at действует как источник носителей для устройства. Ток, поступающий в канал через источник, обозначается IS.
  • Дренаж: Дренаж — это электрод полевого транзистора, через который большинство носителей покидают канал, то есть они выводятся из канала. Обычный ток, поступающий в канал через сток, обозначается буквами ID. Также напряжение от стока к источнику часто обозначается буквами VDS
  • .
  • Gate: Gate — это терминал, который контролирует проводимость канала, следовательно, уровень напряжения на затворе управляет током, протекающим на выходе устройства.
Обозначение схемы соединения полевого транзистора

Параметры конструкции схемы полевого транзистора

При разработке схемы на полевом транзисторе необходимо определить основные требования к схеме. Они будут определять многие решения, касающиеся типа используемой топологии схемы, а также типа используемого полевого транзистора.

В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть ряд параметров:

  • Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием.Это напряжение выходного сигнала, деленное на напряжение входного сигнала.
  • Коэффициент усиления по току: Это коэффициент усиления схемы полевого транзистора по току. Может потребоваться подать на нагрузку ток высокого уровня.
  • Входной импеданс: Это импеданс, который будет видеть предыдущий каскад, когда он подает сигнал на эту рассматриваемую схему полевого транзистора. Полевые транзисторы по своей природе имеют высокий входной импеданс затвора, поэтому полевые транзисторы часто используются там, где это имеет первостепенное значение.
  • Выходное сопротивление: Выходное сопротивление также важно. Если схема на полевом транзисторе управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае на выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения.
  • Частотная характеристика: Частотная характеристика — еще один важный фактор, который влияет на конструкцию схемы полевого транзистора. Конструкции схем низкочастотных или звуковых транзисторов могут отличаться от схем, используемых для радиочастотных приложений.Кроме того, на выбор номиналов полевого транзистора и конденсатора в конструкции схемы будет сильно влиять требуемая частотная характеристика.
  • Напряжение и ток питания: Во многих цепях напряжение питания определяется тем, что доступно. Также ток может быть ограничен, особенно если законченная конструкция схемы полевого транзистора должна питаться от батареи.

Типы полевых транзисторов для схемотехники

Поскольку существует несколько различных типов полевых транзисторов, которые можно использовать, необходимо определить по крайней мере некоторые из полевых транзисторов, которые могут использоваться в процессе проектирования схемы.

В таблице ниже описаны некоторые из различных типов и характеристик, с которыми можно встретиться.


Полевые транзисторы для использования в схемотехнике
Характеристика Детали
N-канал Полевой транзистор с N-каналом имеет канал, сделанный из полупроводника N-типа, в котором основными носителями являются электроны.
P-канал Полевой транзистор с P-каналом имеет канал, сделанный из полупроводника P-типа, в котором основными носителями являются дырки.
J-FET J-FET или переходной полевой транзистор — это форма полевого транзистора, в которой затвор формируется с помощью диодного перехода на канал. Изоляция поддерживается за счет того, что диодный переход остается смещенным в обратном направлении при работе в цепи. Ключевым требованием конструкции схемы полевого транзистора является обеспечение того, чтобы переход оставался смещенным в обратном направлении для удовлетворительной работы.
МОП-транзистор Полевой транзистор этого типа основан на оксиде металла между затвором и каналом.Он предлагает очень высокое входное сопротивление.
МОП-транзистор с двойным затвором Как следует из названия, эта форма полевого МОП-транзистора имеет два затвора. В схемотехнике на полевых транзисторах это дает дополнительные возможности.
Режим улучшения Полевые транзисторы в режиме расширения выключены при нулевом напряжении затвор-исток. Они включаются путем вытягивания напряжения затвора в направлении напряжения стока, то есть по направлению к шине питания, что положительно для устройств с N-каналом и отрицательно для устройств с P-каналом.Другими словами, подтягивая напряжение затвора к напряжению стока, количество несущих в активном слое канала увеличивается.
Режим истощения В режиме истощения MOSFET устройство обычно включено при нулевом напряжении затвор-исток. Любое напряжение затвора в направлении напряжения стока будет иметь тенденцию к истощению активной области канала носителей и уменьшению протекающего тока.

При проектировании схемы полевого транзистора сначала необходимо выбрать требуемый тип полевого транзистора.Факторы, включая базовый тип полевого транзистора, включая то, является ли он транзисторным полевым транзистором или полевым МОП-транзистором или другим типом, а также тип режима и другие факторы, должны быть определены до того, как можно будет приступить к проектированию схемы.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Возврат в меню проектирования схем.. .

10.2: Измерение ключевых транспортных свойств полевых транзисторов

Типичные характеристики V-I полевых транзисторов

Развертка напряжения — отличный способ узнать об устройстве. На рисунке \ (\ PageIndex {10} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, ID для n-канального JFET. Характеристики V-I имеют четыре различных региона. Анализ этих областей может предоставить важную информацию о характеристиках устройства, таких как напряжение отсечки, VP, усиление прозрачности, gm, сопротивление канала сток-исток, RDS и рассеиваемая мощность, PD.

Рисунок адаптирован из Electronic Tutorials (www.electronic-tutorials.ws).
Омическая область (линейная область)

Эта область ограничена VDS

\ [R_ {DS} \ = \ \ frac {\ Delta V_ {DS}} {\ Delta I_ {D}} \ = \ \ frac {1} {g_ {m}} \ label {1} ​​\]

\ [g_m \ = \ \ frac {\ Delta I_ {D}} {\ Delta V_ {DS}} \ = \ \ frac {1} {R_ {DS}} \ label {2} \]

Область насыщенности

Это область, в которой JFET полностью включен. Максимальный ток протекает для данного напряжения затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {3}, где ID — ток стока, IDSS — максимальный ток, VGS — напряжение затвор-исток, а VP — напряжение отсечки.Решение для напряжения отсечки приводит к \ ref {4}.

\ [I_ {D} \ = \ I_ {DSS} (1 \ — \ frac {V_ {GS}} {V_ {P}}) \ label {3} \]

\ [V_ {P} \ = \ 1 \ — \ \ frac {V_ {GS}} {\ sqrt {\ frac {I_D} {I_ {DSS}}}} \ label {4} \]

Область разбивки

Эта область характеризуется резким увеличением тока. Подаваемое напряжение сток-исток превышает предел сопротивления полупроводникового канала, в результате чего транзистор выходит из строя и протекает неконтролируемый ток.

Область отсечения (Cutoff Region)

В этой области напряжения затвор-исток достаточно, чтобы ограничить поток через канал, по сути, отсекая ток стока.{2} / R_ {DS} \ label {5} \]

V-I характеристики p-канального JFET ведут себя аналогично, за исключением того, что напряжения меняются местами. В частности, точка отсечки достигается, когда напряжение затвор-исток увеличивается в положительном направлении, а область насыщения достигается, когда напряжение сток-исток увеличивается в отрицательном направлении.

Типичные характеристики V-I полевых МОП-транзисторов

На рисунке \ (\ PageIndex {11} \) показан типичный график развертки напряжения сток-исток при различных напряжениях затвор-исток при измерении тока стока, I D для идеального n-канального полевого МОП-транзистора.Подобно JFET, V-I характеристики MOSFET имеют отдельные области, которые предоставляют ценную информацию о транспортных свойствах устройства.

Рисунок адаптирован из Electronic Tutorials (www.electronic-tutorials.ws).
Омическая область (линейная область)

n-канальный усовершенствованный MOSFET ведет себя линейно, действуя как переменный резистор, когда напряжение затвор-исток превышает пороговое напряжение, а напряжение сток-исток больше, чем напряжение затвор-исток. В этой области ток стока можно смоделировать с помощью \ ref {6}, где ID — ток стока, VGS — напряжение затвор-исток, VT — пороговое напряжение, VDS — напряжение сток-исток, а k — геометрическое коэффициент, описываемый как \ ref {7}, где µ n — эффективная подвижность носителей заряда, C OX — емкость оксида затвора, W — ширина канала, а L — длина канала.{2} \ label {8} \]

Решение для порогового напряжения VT приводит к \ ref {9}.

\ [V_ {T} \ = \ V_ {GS} \ — \ \ sqrt {\ frac {I_ {D}} {k}} \ label {9} \]

Область отсечения (Cutoff Region)

Когда напряжение затвор-исток, VGS, ниже порогового напряжения VT, носители заряда в канале недоступны, «перекрывая» поток заряда. Рассеяние мощности для полевых МОП-транзисторов также можно решить с помощью уравнения 6 в любой области, как в случае полевого транзистора.

FET V-I Сводка

Типичные ВАХ для всего семейства полевых транзисторов, показанных на рисунке \ (\ PageIndex {11} \), показаны на рисунке \ (\ PageIndex {12} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \) График ВАХ для различных типов полевых транзисторов. По материалам P. Horowitz и W. Hill, в Art of Electronics, Cambridge University Press, New York, 2 nd Edn., 1994.

Из рисунка \ (\ PageIndex {12} \) видно, как схемы легирования, которые приводят к усилению и истощению, смещены вдоль оси VGS. Кроме того, из графика можно определить состояние ВКЛ или ВЫКЛ для заданного напряжения затвор-исток, где (+) положительно, (0) равно нулю, а (-) отрицательно, как показано в Таблице \ (\ PageIndex {1} \).

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): состояние ВКЛ / ВЫКЛ для различных полевых транзисторов при заданном напряжении затвор-исток, где (-) — отрицательное напряжение, а (+) — положительное напряжение.
Полевой транзистор Тип В GS = (-) В GS = 0 В GS = (+)
n-канальный JFET ВЫК НА НА
p-канал JFET НА НА ВЫК
N-канальный MOSFET с истощением ВЫК НА НА
МОП-транзистор с p-каналом истощения НА НА ВЫК
МОП-транзистор с n-каналом расширения ВЫК ВЫКЛ. НА
МОП-транзистор с р-каналом расширения НА НА ВЫК

Источник постоянного тока на полевом транзисторе

Источник постоянного тока на полевом транзисторе — это тип активной схемы, в которой используется полевой транзистор для подачи постоянного тока в схему.Но зачем вам постоянный ток? Источники постоянного тока и приемники тока (приемник тока является обратной стороной источника тока) — очень простой способ формирования цепей смещения или опорных значений напряжения с постоянным значением тока, например 100 мкА, 1 мА или 20 мА, используя только одиночный полевой транзистор и резистор.

Источники постоянного тока обычно используются в цепях зарядки конденсаторов для точной синхронизации или в приложениях для зарядки аккумуляторов, а также в цепях линейных светодиодов для возбуждения цепочек светодиодов с постоянной яркостью.

Опорные резисторы напряжения также могут быть сформированы с использованием источников постоянного тока, потому что, если вы знаете значение сопротивления и ток, протекающий через него, является постоянным и постоянным, вы можете просто использовать закон Ома, чтобы найти падение напряжения. Однако ключ к созданию точного и надежного источника постоянного тока зависит от использования полевых транзисторов с низкой крутизной проводимости, а также прецизионных значений резисторов для преобразования тока в точное и стабильное напряжение.

Полевые транзисторы обычно используются для создания источника тока с Junction-FET (JFET) и металл-оксидными полупроводниковыми MOSFET, которые уже используются в приложениях с источниками слабого тока.В своей простейшей форме JFET может использоваться как резистор, управляемый напряжением, где небольшое напряжение затвора контролирует проводимость его канала.

Мы видели в нашем руководстве о JFET, что JFET — это истощающие устройства и что N-канальный JFET является устройством, которое «нормально включено», пока напряжение затвор-исток (VGS) не станет достаточно отрицательным, чтобы выключить его ». P-канальный JFET, который также является «нормально включенным» устройством истощения, требует, чтобы напряжение на затворе стало достаточно положительным, чтобы выключить его.

Смещение N-канального JFET

На изображении показана стандартная компоновка и соединения для N-канального JFET с общим источником и нормальным смещением при использовании в его активной области. Здесь напряжение затвор-исток V GS равно питанию затвора или входному напряжению V G , которое устанавливает обратное смещение между затвором и истоком, в то время как V DD обеспечивает напряжение сток-исток и ток от источника питания от стока к источнику.Этот ток, поступающий на клемму стока JFET, имеет маркировку I D .

Напряжение сток-исток V DS является прямым падением напряжения JFET и является функцией тока стока, I D для различных значений затвор-исток V GS . Когда V DS имеет минимальное значение, проводящий канал полевого транзистора полностью открыт, а I D имеет максимальное значение, которое называется током насыщения сток-исток I D (sat) или просто I . DSS .

Когда V DS находится на максимальном значении, проводящий канал JFET полностью закрыт (отсечен), поэтому I D уменьшается до нуля при напряжении сток-исток, V DS равно напряжение питания стока В DD . Напряжение затвора V GS , при котором канал полевого транзистора перестает проводить ток, называется напряжением отсечки затвора V GS (off) .

Эта общая схема смещения источника N-канального JFET определяет стабильную работу JFET при отсутствии какого-либо входного сигнала, V IN , поскольку V GS и I D являются величинами в установившемся режиме, то есть состояние покоя JFET.

Таким образом, для полевого транзистора с общим истоком напряжение затвор-исток V GS контролирует, сколько тока будет протекать через проводящий канал полевого транзистора между стоком и истоком, что делает полевой транзистор управляемым напряжением, поскольку его входное напряжение управляет током в канале. . В результате мы можем разработать набор кривых выходных характеристик, построив график I D в сравнении с V GS для любого данного устройства JFET.

Выходная характеристика N-канального JFET

JFET как источник постоянного тока

Тогда мы можем видеть, что n-канальный JFET является нормально включенным устройством, и если V GS достаточно отрицательный, проводящий канал сток-исток закрывается (отсечка), и ток стока уменьшается до нуля.Для n-канального JFET закрытие проводящего канала между стоком и истоком вызвано расширением обедненной области p-типа вокруг затвора до тех пор, пока он полностью не исчезнет. закрывает канал. Области обеднения N-типа закрывают канал для p-канального JFET.

Таким образом, установив напряжение затвор-исток на некоторое заранее определенное фиксированное отрицательное значение, мы можем заставить JFET проводить ток через свой канал с определенным значением между нулем ампера и I DSS соответственно. Рассмотрим схему ниже.

Смещение нулевого напряжения JFET

Мы видели, что кривые выходных характеристик полевого транзистора представляют собой график зависимости I D от V GS для постоянного V DS . Но мы также заметили, что кривые JFET не сильно меняются при больших изменениях в V DS , и этот параметр может быть очень полезен при установлении фиксированной рабочей точки проводящего канала.

В простейшем источнике постоянного тока клемма затвора JEFT закорочена на клемму источника, как показано, проводящий канал полевого транзистора открыт, поэтому ток через него будет близок к максимальному значению I DSS из-за работы полевого транзистора. в области насыщенного течения.Однако работа и производительность такой конфигурации с постоянным током довольно плохие, поскольку JFET постоянно находится в полной проводимости со значением тока I DSS , полностью зависящим от типа устройства.

Например, серия n-канальных JFET 2N36xx или 2N43xx составляет всего несколько миллиампер (мА), тогда как более крупные серии n-каналов J1xx или PN4xxx могут иметь несколько десятков миллиампер. Также обратите внимание, что I DSS будет сильно различаться между устройствами с тем же номером детали, который производители указывают в своих технических паспортах, минимальные и максимальные значения этого тока стока нулевого напряжения затвора, I DSS .

Также следует отметить, что полевой транзистор — это, по сути, резистор, управляемый напряжением, токопроводящий канал которого имеет резистивное значение последовательно с выводами стока и истока. Это сопротивление канала называется R DS . Как мы видели, когда V GS = 0, протекает максимальный ток сток-исток, поэтому сопротивление канала полевого транзистора R DS должно быть минимальным, и это правда.

Однако сопротивление канала не является полностью нулевым, а имеет некоторое низкое омическое значение, определяемое производственной геометрией полевого транзистора и которое может достигать 50 Ом или около того.Когда полевой транзистор является проводящим, это сопротивление канала обычно известно как R DS (ON) и имеет минимальное значение сопротивления, когда V GS = 0. Таким образом, высокое значение R DS (ON) приводит к низкому значению сопротивления. I DSS и наоборот.

Таким образом, JFET может быть смещен для работы в качестве источника постоянного тока при любом значении тока ниже его тока насыщения, I DSS , когда V GS равен нулю вольт. Когда V GS находится на уровне напряжения отключения V GS (off) , ток стока будет нулевым (I D = 0), поскольку канал закрыт.Таким образом, ток стока каналов I D будет всегда течь, пока JFET-транзистор работает в своей активной области, как показано.

Кривая передачи JFET

Обратите внимание, что для P-канального JFET напряжение отсечки V GS (off) будет положительным напряжением, но его ток насыщения I DSS , полученный, когда V GS равен нулю вольт, будет таким же, как для N-канального устройства. Также обратите внимание, что передаточная кривая нелинейна, потому что ток стока увеличивается быстрее через открытый канал, когда напряжение V GS приближается к нулю.

Отрицательное смещение полевого транзистора JFET

Мы помним, что JFET — это устройство в режиме истощения, которое всегда находится в состоянии «ВКЛ», поэтому для их выключения требуется отрицательное напряжение затвора для N-канальных JFET и положительное напряжение затвора для P-канальных JFET. Смещение N-канального JFET с положительным напряжением или смещение P-канального JFET с отрицательным напряжением откроет проводящий канал, еще больше увеличивая ток канала, I D за I DSS .

Но если мы используем характеристические кривые I D по сравнению с V GS , мы можем установить V GS на некоторый отрицательный уровень напряжения, скажем -1 В, -2 В или -3 В, также создать фиксированный источник постоянного тока JFET какой бы уровень тока нам ни требовался от нуля до I DSS .

Но для более точного источника постоянного тока с улучшенным регулированием лучше смещать JFET примерно на 10–50% от его максимального значения I DSS . Это также помогает снизить потери мощности I 2 * R через резистивный канал и, следовательно, снизить эффект нагрева.

Итак, мы можем видеть, что смещая вывод затвора полевого транзистора с некоторым отрицательным значением напряжения или положительным напряжением для полевого транзистора с P-каналом, мы можем установить его рабочую точку, позволяющую каналу проводить и пропускать определенное значение тока стока, I Д .Для различных значений V GS ток стока полевого транзистора I D можно математически выразить как:

Уравнение тока утечки JFET

Пример источника постоянного тока на полевом транзисторе №1

В таблице данных производителя J109 N-канального переключающего JFET показано, что он имеет I DSS 40 мА, когда V GS = 0, и максимальное значение V GS (выкл.) , равное -6,0 вольт. Используя эти заявленные значения, рассчитайте значение тока стока JFET, когда V GS = 0, V GS = -2 вольта и когда V GS = -5 вольт.Также покажите кривую передаточной характеристики J109.

1). Когда V GS = 0V

Когда V GS = 0 В, токопроводящий канал открыт и течет максимальный ток стока.

Таким образом, I D = I DSS = 40 мА .

2). Когда V GS = -2V

3). Когда V GS = -5V

4). J109 Кривая передаточной характеристики

Таким образом, мы можем видеть, что по мере того, как напряжение затвор-исток, V GS приближается к напряжению отсечки затвор-исток, V GS (off) ток стока, I D уменьшается.В этом простом примере мы рассчитали ток стока в двух точках, но расчет с использованием дополнительных значений V GS между нулем и отсечкой даст нам более точную форму кривой.

Источник тока JFET

JFET можно заставить работать в качестве источника постоянного тока, управляемого напряжением, когда его переход затвор-исток имеет обратное смещение, и для N-канального устройства нам понадобится -V GS , а для P-канального устройства нам понадобится + В GS . Проблема здесь в том, что для JFET требуется два отдельных источника напряжения, один для V DD , а другой для V GS .

Однако, если мы поместим резистор между источником и землей (0 вольт), мы сможем достичь необходимого механизма самосмещения V GS , чтобы JFET работал в качестве источника постоянного тока, используя только напряжение питания V DD . Рассмотрим схему ниже.

Источник тока JFET

На первый взгляд вы можете подумать, что эта конфигурация очень похожа на схему общего стока JFET (ведомого истока), которую мы видели в учебном пособии по JFET.

Однако на этот раз разница заключается в том, что, хотя вывод затвора полевого транзистора по-прежнему напрямую связан с землей (V G = 0), вывод истока находится на некотором уровне напряжения выше нулевого напряжения заземления из-за падения напряжения на резисторе истока, Р С .Следовательно, при канальном токе, протекающем через резистор внешнего истока, напряжение затвор-исток полевого транзистора будет меньше (больше отрицательного) нуля (В GS

Резистор внешнего источника R S обеспечивает напряжение обратной связи, которое используется для самосмещения клеммы затвора полевого транзистора JFET, сохраняя постоянный ток стока через канал, несмотря на любые изменения напряжения сток-исток. Таким образом, единственный источник напряжения, который нам нужен, — это напряжение питания V DD для обеспечения стока ток и предвзятость.

Таким образом, JFET использует падение напряжения на истоковом резисторе (V RS ) для установки напряжения смещения затвора V GS и, следовательно, тока канала, как мы видели выше. Таким образом, увеличение значения сопротивления R S уменьшит ток стока каналов I D , и наоборот. Но если бы мы хотели построить схему источника постоянного тока на полевом транзисторе, какое значение было бы подходящим для этого внешнего резистора источника, R S .

Спецификации производителей для конкретного N-канального JFET предоставят нам значения V GS (выкл.) и I DSS .Зная значения этих двух параметров, мы можем транспонировать приведенное выше уравнение JFET для тока стока, I D , чтобы найти значение V GS для любого заданного значения тока стока, I D между нулем и I . DSS , как показано.

Уравнение напряжения затвора и источника на полевом транзисторе JFET

После определения напряжения затвор-исток, необходимого для данного тока стока, значение требуемого сопротивления резистора смещения истока определяется простым использованием закона Ома, так как R = V / I.Таким образом:

Уравнение истокового резистора с полевым транзистором JFET

Пример 2 источника постоянного тока на полевом транзисторе

Использование N-канального J109-полевого транзистора сверху, которое имеет I DSS на 40 мА, когда V GS = 0, и максимальное значение V GS (выключено) , равное -6,0 В. Рассчитайте значение резистора внешнего источника, необходимого для создания постоянного тока в канале 20 мА и еще раз для постоянного тока 5 мА.

1). V GS для I D = 20 мА

2).V GS для I D = 5 мА

Таким образом, когда известны V GS (off) и I DSS , мы можем использовать приведенные выше уравнения, чтобы найти сопротивление истока, необходимое для смещения напряжения затвора для определенного тока стока, и в нашем простом примере оно составило 87,5 Ом при 20 мА и 776 Ом при 5 мА. Таким образом, добавление внешнего резистора источника позволяет регулировать выход источника тока.

Если мы заменим резисторы с фиксированным номиналом на потенциометр, мы сможем полностью настроить источник постоянного тока на полевом транзисторе.Например, мы могли бы заменить два истоковых резистора в приведенном выше примере одним потенциометром 1 кОм или подстроечным резистором. Кроме того, что этот JFET-транзистор полностью регулируется, ток стока контура постоянного тока будет оставаться постоянным даже при изменении V DS .

Пример источника постоянного тока на полевом транзисторе №3

N-канальный JFET требуется для изменения яркости 5-миллиметрового круглого красного светодиода в диапазоне от 8 мА до 15 мА. Если схема источника постоянного тока JFET питается от источника постоянного тока 15 В, рассчитайте сопротивление источника JFET, необходимое для освещения светодиода между минимальной и максимальной яркостью, когда переключающий JFET имеет максимальное значение V GS (выкл.) , равное -4.0 вольт и I DSS 20 мА, когда V GS = 0. Изобразите принципиальную схему.

1). V GS для I D = 8 мА

2). V GS для I D = 15 мА

Тогда нам понадобится внешний потенциометр, способный изменять его сопротивление от 36 Ом до 184 Ом. Ближайшее предпочтительное значение потенциометра будет 200 Ом.

Регулируемый источник постоянного тока с полевым транзистором

Потенциометр или подстроечный резистор, используемый вместо сопротивления источника с фиксированным значением, R S позволит нам изменять или точно настраивать ток, протекающий через проводящий канал полевого транзистора.

Однако, чтобы обеспечить хорошее регулирование тока через устройство на полевом транзисторе и, следовательно, более стабильное протекание тока, было бы лучше ограничить максимальный ток канала, протекающий через светодиод (15 мА в этом примере), между 10% и 50. % от значения JFET I DSS .

Создание источников постоянного тока с использованием полевых МОП-транзисторов позволяет значительно увеличить токи в каналах и лучше регулировать ток, и в отличие от полевых транзисторов с полевыми транзисторами, которые доступны только в качестве устройств с обычным режимом отключения, полевые МОП-транзисторы доступны как в режиме истощения (нормально-включенном), так и в режиме улучшения (обычно выключенные) устройства как P-канального, так и N-канального типа, что позволяет использовать больший диапазон опций источника тока.

Сводка по источнику постоянного тока на полевом транзисторе

В этом руководстве мы видели в этом руководстве по источнику постоянного тока FET , что благодаря характеристикам сопротивления канала полевые транзисторы могут использоваться для подачи постоянного тока на нагрузку и найти многочисленные приложения в электронных схемах, где требуется питание. фиксированный ток подключенной нагрузки.

Цепи постоянного тока могут быть построены с использованием полевых транзисторов в режиме обеднения, а также с использованием BJT (биполярных переходных транзисторов ) или комбинации этих двух устройств.Помните, что JFET — это устройство, управляемое напряжением, а не устройство, управляемое током, как биполярный транзистор.

Одной из основных характеристик полевого транзистора с переходным эффектом, или JFET, является то, что, поскольку это устройство деления, его проводящий канал всегда открыт, поэтому для его поворота требуется напряжение затвор-исток V GS . ВЫКЛЮЧЕННЫЙ».

Напряжение V GS (выкл.) , необходимое для N-канального JFET, находится в диапазоне от 0 вольт для полной проводимости канала до некоторого отрицательного значения, обычно нескольких вольт, необходимого для полного выключения JFET, таким образом замыкая канал.Таким образом, смещая вывод затвора полевого транзистора на некоторое фиксированное значение между нулем и V GS (off) , мы можем управлять шириной обедненных слоев каналов и, следовательно, его резистивным значением, пропуская фиксированную и постоянную величину тока. Для P-канального JFET его значение V GS (off) находится в диапазоне от 0 вольт для полной проводимости канала до некоторого положительного значения в несколько вольт для определенного значения V DS .

Регулирование и допуск постоянного тока для данного устройства JFET зависит от величины тока стока, I D , проходящего через канал.Чем меньше ток стока через конкретное устройство, тем лучше регулирование. Смещение JFET в диапазоне от 10% до 50% от его максимального значения I DSS улучшит регулировку и производительность устройства. Это достигается подключением внешнего сопротивления между выводами истока и затвора.

Резистор обратной связи затвор-исток, как показано выше, обеспечивает необходимое самосмещение полевого транзистора, позволяя ему работать в качестве источника постоянного тока при любом уровне тока значительно ниже его тока насыщения, I DSS .Это сопротивление внешнего источника, R S , может иметь фиксированное значение сопротивления или изменяться с помощью потенциометра.

Полевой транзистор

— обзор

Входные каскады полевых транзисторов

Полевые транзисторы (FET) имеют гораздо более высокий входной импеданс, чем биполярные переходные транзисторы (BJT), и поэтому кажутся идеальными устройствами для входных каскадов операционных усилителей.Однако они не могут быть изготовлены на всех процессах биполярных ИС, и когда процесс позволяет их производство, у них часто возникают собственные проблемы.

Полевые транзисторы

обладают высоким входным сопротивлением, низким током смещения и хорошими высокочастотными характеристиками. (В операционном усилителе более низкий g m полевых транзисторов допускает более высокие хвостовые токи, тем самым увеличивая максимальную скорость нарастания напряжения.) Полевые транзисторы также имеют гораздо более низкий токовый шум.

С другой стороны, входное напряжение смещения пар полевых транзисторов с длинными хвостами не так хорошо, как смещение соответствующих BJT, и подстройка для минимального смещения одновременно не минимизирует дрейф.Для дрейфа требуется отдельная подстройка, и в результате смещение и дрейф в операционном усилителе с полевыми транзисторами с полевыми транзисторами, хотя и хороши, но не так хороши, как у лучших биполярных транзисторов. Упрощенная процедура подстройки для входного каскада операционного усилителя на полевых транзисторах показана на Рисунке 1-26.

Рисунок 1-26. Входной каскад операционного усилителя с полевым транзистором (JFET) с подстройкой смещения и дрейфа

Операционные усилители с полевым транзистором на полевых транзисторах (JFET) можно сделать с очень низким шумом напряжения, но задействованные устройства очень большие и имеют довольно высокую входную емкость, которая зависит от входа. напряжение, и поэтому существует компромисс между шумом напряжения и входной емкостью.

Ток смещения операционного усилителя на полевом транзисторе — это ток утечки диффузионного затвора (или утечка защитного диода затвора, который имеет аналогичные характеристики для полевого МОП-транзистора). Такие токи утечки удваиваются при повышении температуры кристалла на каждые 10 ° C, так что ток смещения операционного усилителя на полевом транзисторе в раз в тысячу раз больше при 125 ° C, чем при 25 ° C. Очевидно, это может быть важно при выборе между операционным усилителем с биполярным или полевым транзистором, особенно в высокотемпературных приложениях, где входной ток смещения биполярного операционного усилителя фактически уменьшается.

До сих пор мы говорили в основном о всех типах полевых транзисторов, то есть о переходах (JFET) и MOS (MOSFETS). На практике операционные усилители с комбинированной биполярной / JFET-технологией (т. Хотя ADI и другие производят высокопроизводительные операционные усилители с входными каскадами MOS или CMOS, в целом эти операционные усилители имеют худшие смещение и дрейф, шум напряжения и высокочастотные характеристики, чем биполярные аналоги. Потребляемая мощность обычно несколько ниже, чем у биполярных операционных усилителей с сопоставимой или даже лучшей производительностью.

Устройства с JFET

требуют большего запаса по сравнению с BJT, поскольку их напряжение отсечки обычно больше, чем напряжение база-эмиттер BJT. Следовательно, их труднее работать при очень низких напряжениях источника питания (1-2 В). В этом отношении КМОП имеет то преимущество, что требует меньшего запаса по сравнению с полевыми транзисторами.

Основы, принцип работы и применение

MOSFET (Металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор) представляет собой полупроводниковое устройство, которое широко используется для коммутации и усиления электронных сигналов в электронных устройствах.МОП-транзистор — это либо сердечник, либо интегральная схема, где он спроектирован и изготовлен в виде единого кристалла, поскольку устройство доступно в очень малых размерах. Введение устройства MOSFET внесло изменения в область коммутации в электронике . Давайте продолжим подробное объяснение этой концепции.


Что такое полевой МОП-транзистор?

МОП-транзистор — это четырехконтактное устройство, имеющее выводы истока (S), затвора (G), стока (D) и корпуса (B). Как правило, корпус полевого МОП-транзистора соединен с выводом истока, образуя трехконтактное устройство, такое как полевой транзистор.MOSFET обычно рассматривается как транзистор и используется как в аналоговых, так и в цифровых схемах. Это базовое введение в MOSFET . И общая структура этого устройства следующая:

MOSFET

Из вышеупомянутой структуры MOSFET функциональность MOSFET зависит от электрических изменений, происходящих в ширине канала вместе с потоком носителей (дырок или электронов). Носители заряда входят в канал через вывод истока и выходят через сток.

Ширина канала регулируется напряжением на электроде, который называется затвором и расположен между истоком и стоком. Он изолирован от канала очень тонким слоем оксида металла. Емкость MOS, которая существует в устройстве, является важной частью, в которой вся операция выполняется.

MOSFET с клеммами

MOSFET может работать двумя способами.

  • Depletion Mode
  • Enhancement Mode

Depletion Mode

Когда на клемме затвора нет напряжения, канал показывает максимальную проводимость.В то время как, когда напряжение на выводе затвора является положительным или отрицательным, проводимость канала уменьшается.

Например,

Enhancement Mode

Когда на клемме затвора нет напряжения, устройство не проводит ток. Когда на выводе затвора имеется максимальное напряжение, устройство показывает повышенную проводимость.

Режим расширения

Принцип работы полевого МОП-транзистора

Основным принципом полевого МОП-транзистора является возможность управления напряжением и током между выводами истока и стока.Он работает почти как переключатель, а функциональность устройства основана на МОП-конденсаторе. Конденсатор MOS является основной частью MOSFET.

Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения либо положительного, либо отрицательного напряжения затвора соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под оксидным слоем, толкаются вниз вместе с подложкой.

Область обеднения, заполненная связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под слоем оксида образуется дырочный канал.Блок-схема полевого МОП-транзистора

МОП-транзистор с Р-каналом

МОП-транзистор с Р-каналом имеет область Р-канала, расположенную между выводами истока и стока. Это четырехконтактное устройство, имеющее выводы как затвор, сток, исток и корпус. Сток и исток представляют собой сильно легированную p + -область, а тело или подложка — n-типа. Ток идет в направлении положительно заряженных дырок.

Когда мы прикладываем отрицательное напряжение с силой отталкивания к выводу затвора, электроны, находящиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку.Область обеднения заселена связанными положительными зарядами, которые связаны с донорными атомами. Отрицательное напряжение затвора также притягивает дырки из области p + истока и стока в область канала.

Режим истощения P Channel Расширенный режим P-канала
N-канальный MOSFET

N-канальный MOSFET имеет N-канальную область, расположенную между выводами истока и стока. Это четырехконтактное устройство, имеющее выводы как затвор, сток, исток и корпус. В этом типе полевого транзистора сток и исток представляют собой сильно легированную область n +, а подложка или тело относятся к P-типу.

Протекание тока в этом типе полевого МОП-транзистора происходит из-за отрицательно заряженных электронов. Когда мы прикладываем положительное напряжение с силой отталкивания к выводу затвора, отверстия, имеющиеся под оксидным слоем, проталкиваются вниз в подложку. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора.

При выходе электронов образуется канал. Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал.Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Вместо положительного напряжения, если мы приложим отрицательное напряжение, под оксидным слоем образуется дырочный канал.

Enhancement Mode N Channel

MOSFET Области работы

В наиболее общем сценарии работа этого устройства происходит в основном в трех регионах, а именно:

  • Cut-off Region — Это регион, где устройство будет в состоянии ВЫКЛЮЧЕНО, и через него будет проходить нулевой ток.Здесь устройство функционирует как базовый переключатель и используется в тех случаях, когда они необходимы для работы в качестве электрических переключателей.
  • Область насыщения — В этой области устройства будут иметь постоянное значение тока от стока к истоку без учета увеличения напряжения между стоком и истоком. Это происходит только один раз, когда напряжение между стоком и истоком увеличивается больше, чем значение напряжения отсечки. В этом сценарии устройство функционирует как замкнутый переключатель, в котором протекает ток насыщения через сток к клеммам истока.Благодаря этому выбирается область насыщения, когда предполагается, что устройства должны выполнять переключение.
  • Линейная / омическая область — Это область, где ток через сток к выводу истока увеличивается с увеличением напряжения на пути от стока к истоку. Когда полевые МОП-транзисторы работают в этой линейной области, они выполняют функции усилителя.

Давайте теперь рассмотрим характеристики переключения MOSFET

Полупроводник, такой как MOSFET или Bipolar Junction Transistor, в основном функционирует как переключатели в двух сценариях: один находится в состоянии ВКЛ, а другой — в состоянии ВЫКЛ.Чтобы рассмотреть эту функциональность, давайте взглянем на идеальные и практические характеристики устройства MOSFET.

Характеристики идеального переключателя

Когда MOSFET должен работать как идеальный переключатель, он должен поддерживать следующие свойства, а именно:

  • В состоянии ВКЛ должно быть ограничение тока, которое он несет. Состояние ВЫКЛ, уровни напряжения блокировки не должны иметь каких-либо ограничений
  • Когда устройство работает в состоянии ВКЛ, значение падения напряжения должно быть нулевым
  • Сопротивление в состоянии ВЫКЛ должно быть бесконечным
  • Не должно быть ограничений по скорости работы

Практические характеристики переключателя

Поскольку мир не ограничивается только идеальными приложениями, функционирование MOSFET применимо даже для практических целей.В практическом сценарии устройство должно обладать следующими свойствами.

  • В состоянии ВКЛ возможности управления мощностью должны быть ограничены, что означает, что необходимо ограничить протекание тока проводимости.
  • В выключенном состоянии уровни напряжения блокировки не должны ограничиваться
  • Включение и выключение на конечное время ограничивает ограничивающую скорость устройства и даже ограничивает функциональную частоту
  • В состоянии ВКЛ устройства MOSFET будет минимальные значения сопротивления, при которых это приводит к падению напряжения при прямом смещении.Кроме того, существует конечное сопротивление в выключенном состоянии, которое обеспечивает обратный ток утечки.
  • Когда устройство работает с практическими характеристиками, оно теряет питание при включении и выключении. Это происходит даже в переходных состояниях.

Пример полевого МОП-транзистора в качестве переключателя

В приведенной ниже компоновке схемы расширенный режим и N-канальный полевой МОП-транзистор используются для переключения пробной лампы в условиях ВКЛ и ВЫКЛ. Положительное напряжение на выводе затвора подается на базу транзистора, и лампа переходит в состояние ВКЛ, и здесь V GS = + v или при нулевом уровне напряжения устройство переключается в состояние ВЫКЛ, где V GS = 0 .

МОП-транзистор в качестве переключателя

Если резистивная нагрузка лампы должна была быть заменена индуктивной нагрузкой и подключена к реле или диоду, который защищен от нагрузки. В приведенной выше схеме это очень простая схема для переключения резистивной нагрузки, такой как лампа или светодиод. Но при использовании MOSFET в качестве переключателя с индуктивной или емкостной нагрузкой для устройства MOSFET требуется защита.

Если в случае, когда MOSFET не защищен, это может привести к повреждению устройства.Чтобы полевой МОП-транзистор работал как аналоговое переключающее устройство, он должен переключаться между его областью отсечки, где V GS = 0, и областью насыщения, где V GS = + v.

Описание видео

МОП-транзистор может также работать как транзистор, и его сокращенно называют полевым транзистором на основе оксида кремния и металла. Здесь само название указывало на то, что устройство может работать как транзистор. Он будет иметь P-канал и N-канал. Устройство подключается таким образом с помощью четырех клемм истока, затвора и стока, резистивная нагрузка 24 Ом подключается последовательно с амперметром, а измеритель напряжения подключается к полевому МОП-транзистору.

В транзисторе ток в затворе протекает в положительном направлении, а вывод истока соединен с землей. В то время как в устройствах с биполярным соединением транзисторов ток протекает по пути от базы к эмиттеру. Но в этом устройстве нет тока, потому что в начале затвора есть конденсатор, ему просто требуется только напряжение.

Это можно сделать, продолжив процесс моделирования и включив / выключив. Когда переключатель находится в положении ON, ток через цепь не протекает, когда сопротивление 24 Ом и 0.29 амперметра, то мы находим пренебрежимо малое падение напряжения на источнике, потому что на этом устройстве + 0,21 В.

Сопротивление между стоком и истоком обозначается как RDS. Из-за этого RDS при протекании тока в цепи появляется падение напряжения. RDS различается в зависимости от типа устройства (он может варьироваться в пределах от 0,001, 0,005 до 0,05 в зависимости от типа напряжения.

Несколько понятий для изучения:

1). Как выбрать полевой МОП-транзистор в качестве коммутатора ?

При выборе полевого МОП-транзистора в качестве переключателя необходимо соблюдать несколько условий, а именно:

  • Использование полярности канала P или N
  • Максимальные номинальные значения рабочего напряжения и тока
  • Повышенное значение Rds ON, которое означает, что сопротивление на выводе от стока к источнику при полностью открытом канале
  • Повышенная рабочая частота
  • Тип упаковки — To-220, DPAck и многие другие.

2). Что такое эффективность переключателя MOSFET?

Основным ограничением при использовании MOSFET в качестве переключающего устройства является повышенное значение тока стока, на которое может быть способно это устройство. Это означает, что RDS в состоянии ON является решающим параметром, определяющим коммутационную способность полевого МОП-транзистора. Он представлен как отношение напряжения сток-исток к току стока. Его следует рассчитывать только в состоянии ВКЛ транзистора.

3).Почему переключатель MOSFET используется в повышающем преобразователе?

Как правило, повышающему преобразователю необходим переключающий транзистор для работы устройства. Итак, в качестве переключающих транзисторов используются полевые МОП-транзисторы. Эти устройства используются для определения текущего значения и значений напряжения. Кроме того, учитывая скорость переключения и стоимость, они широко используются.

Таким же образом MOSFET можно использовать по-разному. и это

  • MOSFET в качестве переключателя для светодиода
  • remove_circle_outline
  • MOSFET в качестве переключателя для Arduino
  • MOSFET-переключатель для нагрузки переменного тока
  • MOSFET-переключатель для двигателя постоянного тока
  • MOSFET-переключатель для отрицательного напряжения
  • MOSFET в качестве переключателя с Arduino
  • MOSFET как переключатель с микроконтроллером
  • MOSFET переключатель с гистерезисом
  • MOSFET как переключающий диод и активный резистор
  • MOSFET как уравнение переключателя
  • Переключатель MOSFET для страйкбола
  • MOSFET как резистор затвора переключения
  • переключающий соленоид
  • Переключатель MOSFET с использованием оптрона
  • Переключатель MOSFET с гистерезисом

Применение MOSFET в качестве переключателя

Одним из наиболее ярких примеров этого устройства является его использование в качестве переключателя для автоматической регулировки яркости уличного освещения.В наши дни многие огни, которые мы наблюдаем на автомагистралях, состоят из газоразрядных ламп высокой интенсивности. Но использование HID-ламп потребляет повышенный уровень энергии.

Яркость не может быть ограничена в зависимости от требований, поэтому должен быть переключатель для альтернативного метода освещения, и это светодиод. Использование светодиодной системы позволит преодолеть недостатки высокоинтенсивных ламп. Основная идея, лежащая в основе конструкции, заключалась в том, чтобы управлять освещением непосредственно на шоссе с помощью микропроцессора.Применение полевого МОП-транзистора

в качестве коммутатора

Этого можно достичь, просто изменив тактовые импульсы. По необходимости это устройство используется для включения ламп. Он состоит из платы raspberry pi, в которую включен процессор для управления. Здесь светодиоды могут быть заменены на HID, и они связаны с процессором через MOSFET. Микроконтроллер обеспечивает соответствующие рабочие циклы, а затем переключается на MOSFET, чтобы обеспечить высокий уровень интенсивности.

Преимущества

Некоторые из преимуществ:

  • Он обеспечивает повышенную эффективность даже при работе при минимальных уровнях напряжения
  • Отсутствует ток затвора, что создает больший входной импеданс, который дополнительно обеспечивает повышенную скорость переключения для устройства
  • Эти устройства могут работать при минимальных уровнях мощности и потребляют минимальный ток.

Недостатки

Недостатки следующие:

  • Когда эти устройства работают при уровнях напряжения перегрузки, это создает нестабильность устройства. тонкий оксидный слой, это может привести к повреждению устройства под действием электростатических зарядов.

Приложения

Области применения полевого МОП-транзистора:

  • Усилители, изготовленные из полевого МОП-транзистора, широко используются в широком диапазоне частот
  • Регулировка для двигателей постоянного тока обеспечиваются этими устройствами 900 39
  • Поскольку они имеют повышенную скорость переключения, они идеально подходят для создания усилителей с прерывателями.
  • Функционирует как пассивный компонент для различных электронных элементов.

В конце концов, можно сделать вывод, что транзистору требуется ток, тогда как MOSFET требует напряжения. Требования к управлению MOSFET намного лучше, намного проще по сравнению с BJT. А также знаете, что Как подключить Mosfet к переключателю?

Фото

транзистор | Определение и использование

Полная статья

Транзистор , полупроводниковый прибор для усиления, управления и генерации электрических сигналов.Транзисторы — это активные компоненты интегральных схем или «микрочипов», которые часто содержат миллиарды этих крохотных устройств, выгравированных на их блестящих поверхностях. Транзисторы, глубоко укоренившиеся почти во всем электронном, стали нервными клетками информационного века.

Обычно в транзисторе три электрических вывода, называемых эмиттером, коллектором и базой, или, в современных коммутационных приложениях, истоком, стоком и затвором. Электрический сигнал, подаваемый на базу (или затвор), влияет на способность полупроводникового материала проводить электрический ток, который в большинстве случаев протекает между эмиттером (или истоком) и коллектором (или стоком).Источник напряжения, такой как батарея, управляет током, а скорость тока, протекающего через транзистор в любой момент, определяется входным сигналом на затворе — так же, как кран крана используется для регулирования потока воды через сад. шланг.

Британская викторина

Изобретатели и изобретения

Наши самые ранние человеческие предки изобрели колесо, но кто изобрел шарикоподшипник, уменьшающий трение вращения? Позвольте колесам в вашей голове крутиться, проверяя свои знания об изобретателях и их изобретениях в этой викторине.

Первые коммерческие применения транзисторов были в слуховых аппаратах и ​​«карманных» радиоприемниках в 1950-х годах. Благодаря своему небольшому размеру и низкому энергопотреблению, транзисторы были желанной заменой электронных ламп (известных как «клапаны» в Великобритании), которые затем использовались для усиления слабых электрических сигналов и создания слышимых звуков. Транзисторы также начали заменять электронные лампы в схемах генераторов, используемых для генерации радиосигналов, особенно после того, как были разработаны специальные структуры для обработки более высоких частот и задействованных уровней мощности.Низкочастотные и мощные приложения, такие как инверторы источников питания, преобразующие переменный ток (AC) в постоянный (DC), также были транзисторными. Некоторые силовые транзисторы теперь могут выдерживать токи в сотни ампер при электрических потенциалах более тысячи вольт.

На сегодняшний день транзисторы наиболее часто применяются в микросхемах памяти компьютеров, включая твердотельные мультимедийные запоминающие устройства для электронных игр, камеры и MP3-плееры, а также в микропроцессорах, где миллионы компонентов встроены в одну интегральную схему.Здесь напряжение, приложенное к электроду затвора, обычно несколько вольт или меньше, определяет, может ли ток течь от истока транзистора к его стоку. В этом случае транзистор работает как переключатель: если ток течет, задействованная цепь включена, а если нет, то она выключена. Эти два различных состояния, единственные возможности в такой схеме, соответствуют соответственно двоичным единицам и нулям, используемым в цифровых компьютерах. Подобные применения транзисторов встречаются в сложных коммутационных схемах, используемых в современных телекоммуникационных системах.Потенциальные скорости переключения этих транзисторов сейчас составляют сотни гигагерц, или более 100 миллиардов включений и выключений в секунду.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Разработка транзисторов

Транзистор был изобретен в 1947–1948 годах тремя американскими физиками, Джоном Бардином, Уолтером Х. Браттейном и Уильямом Б. Шокли, в лабораториях Белла американской телефонной и телеграфной компании. Транзистор оказался жизнеспособной альтернативой электронной лампе и к концу 1950-х годов вытеснил последнюю во многих приложениях.Его небольшие размеры, низкое тепловыделение, высокая надежность и низкое энергопотребление сделали возможным прорыв в миниатюризации сложных схем. В течение 1960-х и 1970-х годов транзисторы были включены в интегральные схемы, в которых множество компонентов (например, диоды, резисторы и конденсаторы) сформированы на одной «микросхеме» из полупроводникового материала.

Мотивация и ранние радиолокационные исследования

Электронные лампы громоздкие и хрупкие, они потребляют большое количество энергии для нагрева своих катодных нитей и генерации потоков электронов; Кроме того, они часто сгорают после нескольких тысяч часов работы.Электромеханические переключатели или реле работают медленно и могут застревать во включенном или выключенном положении. Для приложений, требующих тысяч ламп или переключателей, таких как общенациональные телефонные системы, развивающиеся по всему миру в 1940-х годах, и первые электронные цифровые компьютеры, это означало, что требовалась постоянная бдительность, чтобы свести к минимуму неизбежные поломки.

Альтернатива была найдена в полупроводниках, материалах, таких как кремний или германий, электрическая проводимость которых находится посередине между изоляторами, такими как стекло, и проводниками, такими как алюминий.Проводящими свойствами полупроводников можно управлять, «допируя» их избранными примесями, и несколько провидцев увидели потенциал таких устройств для телекоммуникаций и компьютеров. Однако именно военное финансирование разработки радаров в 1940-х годах открыло двери для их реализации. Для «супергетеродинных» электронных схем, используемых для обнаружения радиолокационных волн, требовался диодный выпрямитель — устройство, позволяющее току течь только в одном направлении, — которое могло бы успешно работать на сверхвысоких частотах более одного гигагерца.Электронных ламп просто было недостаточно, и твердотельные диоды на основе существующих полупроводников из оксида меди также были слишком медленными для этой цели.

На помощь пришли

Кристаллические выпрямители на основе кремния и германия. В этих устройствах вольфрамовая проволока вставлялась в поверхность полупроводникового материала, который был легирован крошечными количествами примесей, таких как бор или фосфор. Примесные атомы заняли позиции в кристаллической решетке материала, вытесняя атомы кремния (или германия) и тем самым создавая крошечные популяции носителей заряда (таких как электроны), способных проводить полезный электрический ток.В зависимости от природы носителей заряда и приложенного напряжения ток может течь от провода к поверхности или наоборот, но не в обоих направлениях. Таким образом, эти устройства служили столь необходимыми выпрямителями, работающими на гигагерцовых частотах, необходимых для обнаружения отраженного микроволнового излучения в военных радиолокационных системах. К концу Второй мировой войны миллионы кристаллических выпрямителей ежегодно производились такими американскими производителями, как Sylvania и Western Electric.

Одномерные полевые транзисторы на волоконной основе из низкотемпературных фотохимически активированных золь-гель металлооксидных материалов для электронного текстиля

Мы сообщаем о высокоэффективных полевых транзисторах с металлооксидным волокном (F-FET) для электронного текстиля (электронного текстиля).Используя низкотемпературный процесс и процесс растворения, на одномерную волоконную подложку были успешно нанесены плотные, без крошечных отверстий и относительно однородные слои оксида металла. В частности, атомный слой, нанесенный диэлектрическим слоем затвора из оксида алюминия, нанесенным при 100 ° C, показал чрезвычайно низкую плотность тока утечки ∼10 −7 А · см −2 и высокое поле пробоя 4,1 МВ. см −1 . Кроме того, полевые транзисторы из оксида индия, которые фотохимически активируются при низкой температуре, показали полевую подвижность и отношение включения / выключения, равное 3.7 см 2 V −1 s −1 и> 10 6 соответственно, что, по нашему мнению, является самой высокой производительностью среди полевых транзисторов оптоволоконного типа, о которых сообщалось на сегодняшний день. Основываясь на этих результатах, можно предположить, что полевые транзисторы на основе оксидов металлов могут стать основным строительным блоком для создания двумерных тканых электронных текстильных изделий в будущем, при условии дальнейшего объединения с технологиями ткачества и межсоединений.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуй еще раз? .

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.