Схемы Подключения Полевых Транзисторов — tokzamer.ru

Схемы включения биполярного транзистора Схемотехники используют следующие схемы подключения: с общей базой, общими электродами эмиттера и включение с общим коллектором Рис. Если пластина имеет показатель n, то будет р.


Предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний. С изолированным затвором делятся на: с встроенным и индуцированным каналом.

Схемы включения полевых транзисторов Подобно тому, как в различных электронных устройствах биполярные транзисторы работают с включением по схеме с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой, полевые транзисторы во многих случаях можно использовать аналогичным образом включая их: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. Транзистор с индуцированным каналом может работать только в режиме обогащения.
Как проверить полевой транзистор с помощью тестера.

Стоко-затворная характеристика показывает то же самое, отличия опять-таки в напряжениях на затворе.

Современные приборы практически не боятся этого, поскольку по входу в них могут быть встроены защитные устройства типа стабилитронов, которые срабатывают при превышении напряжения. Мы получили наглядную модель биполярного транзистора структуры p-n-p.

Время нагрева зависит от температуры утюга и лежит в пределах 30 — 90 секунд. На рис.

С индуцированным каналом Транзисторы со встроенным каналом На схеме вы видите транзистор с встроенным каналом. Типы полевых транзисторов Когда ориентируются по данным деталям электрических схем, то принимают во внимание такие показатели: внутреннее и внешнее сопротивление, напряжение отсечки и крутизна стокозатворной характеристики.

Исток источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном.

Драйверы для полевых транзисторов, самые простые и распространённые

Что такое транзистор?

Одно из их главных предназначений — работа в ключевом режиме, то есть транзистор либо закрыт, либо полностью открыт, когда сопротивление перехода Сток — Исток практически равно нулю. Вот результаты моделирования такой ситуации.

Встроенный диод, оказывается включенным в обратном направлении и ток через него не протекает.

Это возможно благодаря тому, что не используется инжекция неосновных носителей заряда. Как работает полевой транзистор?

Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем имеет ограниченное применение.

Поделитесь с друзьями:. Транзистор полевой Первоначально определимся с терминологией.

МДП — транзисторы в качестве диэлектрика используют оксид кремния SiO2.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям.
5 СХЕМ на ОДНОМ ПОЛЕВОМ (МОП, МДП, MOSFET) ТРАНЗИСТОРЕ 2N65F

Читайте дополнительно: Как правильно сделать смету на электромонтажные работы

Виды транзисторов

Каждая из ветвей отличается на 0.

Изображение схем подключения полевых триодов Практически каждая схема способна работать при очень низких входных напряжениях. Схема включения MOSFET Традиционная, классическая схема включения «мосфет», работающего в режиме ключа открыт-закрыт , приведена на рис 3.

Испытания показали, что транзисторный ключ прекрасно работает, подавая напряжение на нагрузку. Транзисторы управляются напряжением, и в статике не потребляют ток управления.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Среди них можно выделить: биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами; комбинации из двух триодов одинаковых или разных структур в одном корпусе; лямбда-диоды — сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением; конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом применяются для управления электромоторами. Чтобы на резисторе Rи не выделялась переменная составляющая напряжения, его шунтируют конденсатором Си.

Каскад с общим истоком дает очень большое усиление тока и мощности. Разница потенциалов достигает величины от 0,3 до 0,6 В. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Это значит что нужно этого избежать, введя каскад с высоким входным сопротивлением. Стабильность при изменении температуры. При некотором напряжении Uси происходит сужение канала, при котором границы обоих р-n- переходов сужаются и сопротивление канала становится высоким. Это возможно благодаря тому, что не используется инжекция неосновных носителей заряда.

Принцип работы триода При обесточивании базы транзистор очень быстро приходит в первоначальное состояние и коллекторный переход закрывается. Поэтому использование такого подхода на практике сильного ограничено в усилительной технике.

Также сюда подключается и усилитель колебаний. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.
Защита от переполюсовки на основе полевого транзистора

Транзистор полевой

При добавлении бора акцептор легированный кремний станет полупроводником с дырочной проводимостью p-Si , то есть в его структуре будут преобладать положительно заряженные ионы. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током.

На рисунке приведен полевой транзистор с каналом p-типа и затвором выполненным из областей n-типа. Опишем подробнее каждую модификацию.

Если изменить величину управляющего тока, то изменится интенсивность образования дырок на базе, что повлечёт за собой пропорциональное изменение амплитуды выходного напряжения, с сохранением частоты сигнала. Среди них можно выделить: биполярные транзисторы с внедрёнными и их схему резисторами; комбинации из двух триодов одинаковых или разных структур в одном корпусе; лямбда-диоды — сочетание двух полевых триодов, образующих участок с отрицательным сопротивлением; конструкции, в которых полевой триод с изолированным затвором управляет биполярным триодом применяются для управления электромоторами. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале.

Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам. Устройство полевого транзистора с управляющим p-n переходом Приведено на рис.

См. также: Подключить электричество к участку

Другие популярные статьи

Транзисторы бывают в разных корпусах, с разным количеством выводов, часто в одном корпусе объединяют два транзистора. Транзистор имеет три вывода: исток, сток, затвор. Vgs — управляющее напряжение, Vg-Vs.

Этот принцип используют для усиления сигналов. На конкретной схеме это p-канальный прибор затвор — это n-слой, имеет меньше удельное сопротивление, чем область канала p-слой , а область p-n-перехода в большей степени расположена в p-области по этой причине.

Похожие публикации

Типы полевых транзисторов и их схематическое обозначение. В результате возникают некомпенсированные заряды: в области n-типа — из отрицательных ионов, а в области p-типа из положительных. Схема с общим истоком Истоком называют электрод, через который в канал поступают носители основного заряда. С общим стоком в. МДП — транзисторы выполняют двух типов — со встроенным каналом и с индуцированным каналом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок в зависимости от типа проводимости основного кристалла. И даже наоборот, его наличие специально используется в некоторых схематических решениях. Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной.
Схемы включения полевых транзисторов

Полевые транзисторы: типовые схемы включения

---

Полевые транзисторы, схемы включения и правильная их настройка, именно это является основой корректной работы устройства, в котором задействованы полевые транзисторы. Широкий спектр преимуществ, таких как высокое входное сопротивление, простота изготовления, простота операций и так далее, делает МОП-транзисторы (FET) широко используемыми в различных устройствах, особенно в системах интегральных схем.

Полевые транзисторы — это МОП-транзисторы 2-го поколения после биполярных. Их можно использовать в качестве усилителей в осциллографах, испытательных и измерительных приборах, электронных вольтметрах, а также при коммутации.

Давайте вначале посмотрим подробно на схемы включения FET-транзисторов, варианты которых показаны ниже. В способах включения полевиков в схему нет ничего нового, принцип почти такой же как у биполярных приборах. То есть, существует три основных варианта включения: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. Но управляются эти два полупроводника по разному: у биполярного прибора базовый ток является управляющим, а у полевого — напряжение затвора.

Основы проектирования схем на полевых транзисторах

Полевые транзисторы включенные с общим истоком

Схема подключения полевика с общим истоком, в принципе такая же как и у биполярного прибора включенного с общим эмиттером. Такой тип включения обусловлен возможностью передавать большой ток и мощность, при этом в цепи стока транзистора происходит переворот напряжения фазы.

Сопротивление на входе цепи затвор-исток становится очень высоким, которое насчитывает несколько сотен мОм. Однако его можно уменьшить, если включить в схему дополнительный резистор в разрыв затвора и истока, тем самым гальванически подтянется затвор на общую точку проводов. Такой вариант является защитой МОП-транзистора от электромагнитных наводок.

Номинальное сопротивление резистора защиты Rз может находится в диапазоне 1-3 мОм, а его подбор выполняется таким образом, чтобы этот шунт не мог очень влиять на сопротивление перехода затвор-исток, однако и нельзя позволить возникновению слишком большого напряжения от управляющего p-n перехода, смещенного в обратном направлении.

Значительное сопротивление на входе полевого транзистора, подключенного по схеме с общим истоком, можно считать важным преимуществом относительно других подобных полупроводников, особенно когда его применяют в конструкциях для усиления напряжения и мощности. Во всяком случае общее сопротивление резистора Rc, установленного в цепи стока, как правило больше нескольких килоом не бывает.

Полевые транзисторы включенные с общим стоком

Полевой транзистор с общим стоком, и если сравнивать этот тип подключения с биполярным прибором, то это, не что иное как подключение с общим коллектором. Такой способ подключение в основном применяется в каскадах согласования силовых цепей, и обеспечивать выходное напряжение совпадающее по фазе с входным.

МОП-транзисторы включенные с общим затвором

Полевик с общим затвором — по аналогии с биполярным прибором, будет означать — каскад с общей базой. Токовое усиление здесь отсутствует, соответственно и коэффициент усиления по мощности в несколько крат ниже каскада включенного с общим истоком. В период усиления, напряжение находится в той же фазе, которая является управляющей.

Справедливо считать, что если выходной ток имеет такое же значение как и входной, в таком случае коэффициент токового усиления равняется «1», а коэффициент увеличения напряжения, будет составлять более единицы.

В этом включении имеется особенная характеристика — обратная отрицательная токовая связь в параллели, так как во время увеличения напряжения управления на входе, возможности истока нарастают, а ток стока идет в сторону меньшего значения, следовательно понижает напряжение на установленном резисторе в цепочке истока Rи.

Исходя из выше сказанного можно определить, что в одном случае напряжение на истоковом резисторе увеличивается за счет повышения входящего сигнала, но вместе с тем происходит уменьшение снижение тока в цепи стока — это то, что называется отрицательной обратной связью.

Такое фактическое явление создает более широкий диапазон высоких частот, следовательно схема включения с общим затвором очень распространена в устройствах усиливающих высокочастотное напряжение.

Схемы включения Полевых Транзисторов | Основы электроакустики

Включение ПТ с управляющим p-n переходом и каналом n типа в схемы усилительных каскадов с общим истоком и общим стоком показано на рис.8.5, а, б.

Рис.8.5. Включение ПТ в схемы:

• а) с общим истоком,
• б) с общим стоком 

Постоянное напряжение Е1 обеспечивает получение определенного значения тока стока IС=E/(rСИ +RН) в зависимости от сопротивления канала rСИ. При подаче входного усиливаемого напряжения UВХ потенциал затвора меняется, а соответственно меняются и токи стока и истока, а также падение напряжения на резисторе RН. Приращение падения напряжения на резисторе RН при большом его значении гораздо больше приращений входного напряжения. За счет этого осуществляется усиление сигнала. Ввиду малой распространенности включение с общим затвором не показано. При изменении типа проводимости канала меняются только полярности приложенных напряжений и направления токов.

Включение МОП транзисторов в схемах показано на рис.8.6.

Для МОП транзистора со встроенным каналом смещение не является обязательным, так как при нулевом напряжении на затворе  транзистор  приоткрыт и через канал протекает ток стока IС НАЧ. При подаче положительного напряжения на затвор транзистор работает в режиме обогащения, сопротивления канала уменьшается, а ток стока IС увеличивается. При подаче отрицательного напряжения на затвор происходит обратный процесс. В МОП транзисторах с индуцированным каналом, включенных в схемы с общим истоком и общим стоком (рис.8.6, в, г), постоянное напряжение Е1 должно превышать пороговое. В противном случае канал не появится и транзистор будет заперт.

 Рис.8.6. Включение МОП транзисторов с каналом n-типа:

• а) со встроенным каналом в схеме с ОИ,
• б) с ОС,
• в) с индуцированным каналом с ОИ,
• г) с ОС

Схемы включения полевых транзисторов (для стенда)

Схемы включения полевых транзисторов (для стенда)

Подобно тому, как в различных электронных устройствах биполярные транзисторы работают с включением по схеме с общим эмиттером, с общим коллектором или с общей базой, полевые транзисторы во многих случаях можно использовать аналогичным образом включая их: с общим истоком, с общим стоком или с общим затвором. 

Разница заключается в способе управления: биполярный транзистор управляется током базы, а полевой транзистор — зарядом затвора. 

С точки зрения затрат энергии на управление, управление полевым транзистором получается в целом более экономичным, чем управление транзистором биполярным. Это один из факторов, объясняющих нынешнюю популярность полевых транзисторов. Рассмотрим, однако, в общих чертах типичные схемы включения полевых транзисторов.

Включение с общим истоком

Схема включения полевого транзистора с общим истоком является аналогом схемы с общим эмиттером для биполярного транзистора. Такое включение весьма распространено в силу возможности давать значительное усиление по мощности и по току, фаза напряжения цепи стока при этом переворачивается.

Входное сопротивление непосредственно перехода затвор-исток достигает сотен мегаом, хотя оно может быть уменьшено путем добавления резистора между затвором и истоком с целью гальванически подтянуть затвор к общему проводу (защита полевого транзистора от наводок).

Величина этого резистора Rз (от 1 до 3 МОм обычно) подбирается так, чтобы не сильно шунтировать сопротивление затвор-исток, при этом не допускать перенапряжения от тока обратносмещенного управляющего перехода.

Существенное входное сопротивление полевого транзистора в схеме с общим истоком является важным достоинством именно полевого транзистора, при его использовании в схемах усиления напряжения, тока и мощности, ведь сопротивление в цепи стока Rс не превышает обычно единиц кОм. 

Включение с общим стоком

Схема включения полевого транзистора с общим стоком (истоковый повторитель) является аналогом схемы с общим коллектором для биполярного транзистора (эмиттерный повторитель). Такое включение используется в согласующих каскадах, где выходное напряжение должно находиться в фазе с входным.

Входное сопротивление перехода затвор-исток как и прежде достигает сотен мегаом, при этом выходное сопротивление Rи сравнительно небольшое. Данное включение отличается более высоким частотным диапазоном, чем схема с общим истоком. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, так как напряжение исток-сток и затвор-исток для данной схемы обычно близки по величине.

Включение с общим затвором

Схема с общим затвором — подобие каскаду с общей базой для биполярного транзистора. Усиления по току здесь нет, потому и усиление по мощности многократно меньше, чем в каскаде с общим истоком. Напряжение при усилении имеет ту же фазу, что и управляющее напряжение.

Поскольку выходной ток равен входному, то и коэффициент усиления по току равен единице, а коэффициент усиления по напряжению, как правило, больше единицы.

В данном включении присутствует особенность — параллельная отрицательная обратная связь по току, ибо при повышении управляющего входного напряжения, потенциал истока возрастает, соответственно ток стока уменьшается, и снижает напряжение на сопротивлении в цепи истока Rи.

Так с одной стороны напряжение на сопротивлении истока увеличивается благодаря росту входного сигнала, но уменьшается снижением тока стока, это и есть отрицательная обратная связь.

Данный феномен делает шире полосу пропускания каскада в области высоких частот, поэтому схема с общим затвором популярна в усилителях напряжения высоких частот, и особенно востребована в высоко устойчивых резонансных схемах.

Основные схемы включения транзисторов

Транзистор, как полупроводниковый прибор, имеющий три электрода (эмиттер, базу, коллектор), можно включить тремя основными способами (рис. 3.1 — 3.6). Как известно, входной сигнал поступает на усилитель по двум проводам; выходной сигнал отводится также по двум проводам. Следовательно, для трех-электродного усилительного прибора при подаче входного и съеме выходного сигнала по двум проводам один из электродов будет непременно общим. Соответственно тому, какой из электродов в схеме включения транзистора будет являться общим, различают три основные схемы включения: с общим эмиттером (ОЭ), общим коллектором (ОК) и общей базой (ОБ).

Рис. 3.1. Схема с общим эммитером (ОЭ)

 

Рис. 3.2. Схема с общим коллектором (ОК)

Практические варианты схем включения транзисторов структуры п-р-п и р-п-р приведены на рис. 3.1 — 3.6. Как следует из сопоставления рисунков, схемы эти идентичны и различаются лишь полярностью подаваемого напряжения.

Для определения входного (RBX.) и выходного (RBbix.) сопротивления каждой из схем включения, а также коэффициентов усиления по току (К,), напряжению (Ки) и мощности (КР=К|ХКи) расчетные и экспериментальные значения и формулы приведены в таблицах 3.1 и 3.2.

 

Таблица с формулами приведена для приближенных расчетов, а для первоначальной, первичной оценки и сравнения свойств основных схем включения транзисторов предназначена вторая таблица с численными оценками.

Рис. 3.3. Схема с общей базой (ОБ)

Обозначения в таблице следующие: RH — сопротивление нагрузки; R3 — сопротивление эмиттера или отношение изменения напряжения на эмиттерном переходе к изменению тока эмиттера в режиме короткого замыкания в выходной цепи по переменному току; RB — сопротивление базы или отношение изменения напряжения между эмиттером и базой к изменению тока коллектора в режиме холостого хода входной цепи по переменному току; а — коэффициент усиления по току для схемы с общей базой; р — коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером.

Рис. 3.4. Схема с общим эммитером (ОЭ)

 

Рис. 3.5. Схема с общим коллектором (ОК)

 

Рис. 3.6. Схема с общей базой (ОБ)

Наиболее часто в практических схемах используют режим включения транзистора с общим эмиттером (как обладающий наибольшим коэффициентом усиления по мощности).

Эмиттерные повторители (схемы с общим коллектором) применяют для согласования высокого выходного сопротивления источника сигнала с низким входным сопротивлением нагрузки. Для построения высокочастотных усилителей (имеющих низкое входное сопротивление) используют схемы с общей базой.

В зависимости от наличия, полярности и величины потенциалов на электродах транзисторов различают несколько режимов его работы. Насыщение — транзистор открыт, напряжение на переходе К— Э минимально, ток через переходы максимален. Отсечка — транзистор закрыт, напряжение на переходе К — Э максимально, ток через переходы минимален. Активный — промежуточный между режимом насыщения и отсечки. Инверсный — характеризуется подачей на электроды транзистора обратной (инверсной) полярности рабочего напряжения.

В переключательно-коммутирующих схемах, имеющих только два состояния: включено (сопротивление ключевого элемента близко к нулю) и выключено (сопротивление ключевого элемента стремится к бесконечности), используются режимы насыщения и отсечки. Активный режим широко применяют для усиления сигналов. Инверсный режим используют достаточно редко, поскольку улучшить показатели схемы при таком включении транзистора не удается.

Для того чтобы без расчетов первоначально оценить величины RC-элементов, входящих в состав схем (рис. 3.1, 3.2, 3.4, 3.5), можно принять величину сопротивления в коллекторной (эмиттерной) цепи равной нескольким кОм, а величину сопротивления в цепи базы в 30…50 раз большим. При этом напряжение на коллекторе (эмиттере) должно быть равно половине напряжения питания. Для схемы с общей базой (рис. 3.3, 3.6) величина сопротивления R3, обычно не превышает 0,1… 1 кОм, величина сопротивления R2 составляет несколько кОм.

Величины реактивных сопротивлений конденсаторов С1 — C3 для наиболее низких частот, которые требуется усилить, должны быть примерно на порядок ниже соединенных с ними активных сопротивлений R1 — R3 (рис. 3.1 — 3.6). В принципе, величины этих емкостей можно было бы выбрать со значительным запасом, но в этом случае увеличиваются габариты переходных конденсаторов, их стоимость, токи утечки, длительность переходных процессов и т.д.

В качестве примера приведем таблицу 3.3 для быстрого определения величины реактивного сопротивления конденсаторов для нескольких частот.

Напомним, что реактивное сопротивление конденсатора Хс, Ом, можно вычислить по формуле:

Для постоянного тока реактивное сопротивление конденсаторов стремится к бесконечности. Следовательно, для усилителей постоянного тока (нижняя граничная частота усиления равна нулю) переходные конденсаторы не требуются, а для разделения каскадов необходимо предусматривать специальные меры. Конденсаторы в цепях постоянного тока равносильны обрыву цепи. Поэтому при построении схем усилителей постоянного тока используют схемы с непосредственными связями между каскадами. Разумеется, в этом случае необходимо согласование уровней межкаскадных напряжений.

При усилении переменного тока в цепи нагрузки усилительных каскадов зачастую используют индуктивные элементы. Отметим, что реактивное сопротивление индуктивностей растет с увеличением частоты. Соответственно, с изменением сопротивления нагрузки от частоты, растет и коэффициент усиления такого каскада.

Помимо биполярных транзисторов широкое распространение приобрели более современные элементы — полевые транзисторы (рис. 3.7 — 3.9).

Рис. 3.7. Схема с общим истоком (ОИ)

 

Рис. 3.8. Схема с общим стоком (ОС)

По аналогии со схемами включения биполярных транзисто ров полевые включают с общим истоком, общим стоком и с об щим затвором.

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

 

Рис. 3.9. Схема с общим затвором (03)

Основные расчетные соотношения для этих схем включения полевых транзисторов приведены в таблице 3.4, где S — крутизна характеристики полевого транзистора, мА/В; R, — внутреннее сопротивление транзистора.

Ориентировочно величина R1 (рис. 3.7 — 3.9) может быть от нескольких Ом до единиц МОм R2 — несколько кОм. Отметим, что, как и для биполярных транзисторов, полевые также допускают работу с отсечкой, с насыщением; активный и инверсный режимы.

Для увеличения коэффициента передачи по току биполярного транзистора используют «составные» транзисторы, включаемые по схеме Дарлингтона (рис. 3.10 — 3.13). Общий их коэффициент усиления несколько отличается от произведения коэффициентов усиления каждого из транзисторов. Одновременно ухудшается температурная стабильность схемы.

Рис. 3.10

 

Рис. 3.11

 

Рис. 3.12

 

Рис. 3.13

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

общий исток, общий сток, общий затвор

Полевые транзисторы (униполярные)— п/п приборы, в которых прохождение тока обусловлено дрейфом носителей заряда одного знака под действием продольного электрического поля.

С точки зрения носителя заряда их называют униполярные (одной полярности).

С точки зрения управления электрическим полем — полевыми.

Различают схемы включения:

— с общим истоком (подобно общему эмиттеру) которые позволяют получить усиление тока и напряжения и инвертирование фаз напряжения при усилении, имеют очень высокое входное и выходное сопротивления;

— с общим стоком (подобно общему коллектору и эмиттерному повторителю и может быть назван истоковым повторителем) имеет коэффициент усиления по напряжению, стремящийся к единице, выходное напряжение по значению и фазе повторяют входное, имеют очень высокое входное и низкое выходное сопротивления;

— с общим затвором (подобно общей базе)не дает усиления тока и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме с ОИ, входное сопротивление мало, в усилителях не используются, применяется в качестве линейных ключей и электронных потенциометров.

Схемы включений ПТ.

1. Схема с общим истоком

 

Схема обладает высоким входным сопротивлением, которое ограничивается сопротивлением затвора (КП303Г – утечка 0,1нА), и достаточно высоким выходным сопротивлением, также, как и в схемах с ОЭ.

Фаза инвертируется.

С целью увеличения Кu включаем Сu и Ru’. Для обеспечения максимального Кu можно принять Ru’ равное 0. Однако, из-за нелинейности выходной характеристики возникают большие нелинейные искажения, особенно для большого сигнала. (Кu=S*Rc).

Используются для согласования между собой высокоомного генератора и усилителя, также в качестве ключевого каскада в импульсных блоках питания (благодаря отсутствия у них явления вторичного пробоя, характерного для БПТ).

2.Схема с общим стоком.

 

 

 

Выходное сопротивление уменьшается за счёт введения последовательной ООС по напряжению с помощью Ru.

Используется для согласования высокого сопротивления генератора с низким сопротивлением усилителя, высокого выходного сопротивления источника тока усилителя напряжения с низким сопротивлением нагрузки, особенно в выходных каскадах сверхкачественных усилителей мощности относительно низкой стоимости.

 

3.Схема с общим затвором.

 

Используется в качестве оттенюаторов (ослабителей) сигналов, “переменных резисторов”, переключателей.

В отличие от БПТ сопротивление канала ПТ является линейной, т.е. не вносит нелинейных искажений.

 

 

БТИЗ (IGBT) – биполярный транзистор с изолированным затвором. Достоинства по сравнению с МОП.

Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT — InsulatedGateBipolarTransistors) — полностью управляемый полупроводниковый прибор, в основе которого трёхслойная структура. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. На рис.1 приведено условное обозначение IGBT.

Рис. 1. Условное обозначение IGBT	Рис. 2. Схема соединения транзисторов в единой структуре IGBT

Коммерческое использование IGBT началось с 80-х годов и уже претерпела четыре стадии своего развития.

IGBT являются продуктом развития технологии силовых транзисторов со структурой металл-оксид-полупроводник, управляемых электрическим полем и сочетают в себе два транзистора в одной полупроводниковой структуре: биполярный (образующий силовой канал) и полевой (образующий канал управления). Эквивалентная схема включения двух транзисторов приведена на рис. 2. Прибор введён в силовую цепь выводами биполярного транзистора E (эмиттер) и C (коллектор), а в цепь управления — выводом G (затвор).

Таким образом, IGBT имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Соединения эмиттера и стока (D), базы и истока (S) являются внутренними. Сочетание двух приборов в одной структуре позволило объединить достоинства полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включённом состоянии.

 

 

23.

В общем случае обратную связь (ОС) можно определить как связь выходной цепи усилителя или каскада усиления с его входной цепью. Она образуется тогда, когда усиленный сигнал с выхода отдельного каскада усилителя или усилителя в целом передается на его вход через цепи, дополнительно вводимые для этого (внешняя ОС) или уже имеющиеся в нем для выполнения других функций (внутренняя ОС). К последним, например, относятся общая цепь источника питания усилителя, межэлектродные емкости в электронных приборах.

В большинстве случаев внутренняя ОС и непреднамеренно возникшие цепи внешней ОС (например, из-за близкого расположения при монтаже деталей, соединительных проводов входных и выходных цепей усилителя) вызывают так называемую паразитную ОС. В реальных устройствах паразитная связь, как правило, приводит к изменению их свойств в худшую сторону и возникновению других нежелательных явлений (в частности, генерацию паразитных колебаний, частоты которых значительно выше или ниже частот усиливаемых колебаний), часто трудно поддающихся контролю и устранению.

На рисунке приведена структурная схема усилителя с коэффициентом усиления К, охваченного внешней цепью ОС с коэффициентом передачи β. Цепь вместе с усилителем, к которому она подключена, образует замкнутый контур, называемый петлей ОС. Стрелками показаны направления прохождения сигнала.

Часть усиленного внешнего сигнала с выхода усилителя (прямая цепь передачи сигналов) поступает по цепи ОС на его вход и складывается там с внешним сигналом. При таком сложении амплитуд сигналов (внешнего и ОС) на входе усилителя возможны два принципиально отличных по конечному действию случая: либо сумма амплитуд сигналов больше амплитуды внешнего сигнала (фазы колебаний с одинаковой частотой на выходе цепи ОС и входной сигнала совпадают, сдвиг фаз равен 0°), либо меньше его (их фазы противоположны, сдвиг фаз равен 180°). В первом случае говорят о ПОС (положительной обратной связи), во втором – о ООС (отрицательной ОС). В большинстве случаев ПОС паразитная.

Обратная связь (ОС), охватывающая один каскад, называется местной, несколько — общей.

Если во входной цепи усилителя вычитается ток в цепи ОС из тока входного сигнала, то такую ООС называют параллельной. Если во входной цепи вычитается напряжение входного сигнала из сигнала ОС, то такую ООС называют последовательной. По способу получения (снятия) сигнала ООС с выхода усилителя различают ООС по напряжению (когда сигнал ООС пропорционален U_ВЫХ усилителя) и по току (сигнал ООС пропорционален току через нагрузку).

 

Схема подключения полевого транзистора

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 R_H 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 R_H;

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 R_H.

а) последовательное включение n- и -канальных транзисторов VT1, VT2 для коммутации «высоковольтной» нагрузки R_H. 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

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

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»).

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ).

Рис. Схемы включения полевых транзисторов

На практике чаще всего применяется схема с ОИ (рис. а), аналогичная схеме на биполярном транзисторе с общим эмиттером (ОЭ). Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ (рис. б) аналогична схеме с общей базой (ОБ). Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ (рис. в) обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: При сдаче лабораторной работы, студент делает вид, что все знает; преподаватель делает вид, что верит ему. 9131 – | 7232 – или читать все.

78.85.5.182 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)
очень нужно

Полевые транзисторы: типы, устройство, принцип и режимы работы, схемы включения, основные параметры, использование

Полевым транзистором (ПТ) называется полупроводниковый радиокомпонент, используемый для усиления электрического сигнала. В цифровых устройствах схемы на основе ПТ исполняют функции ключей, управляющих переключениями логических элементов. В последнем случае использование полевых транзисторов оказывается крайне выгодным с точки зрения миниатюризации аппаратуры. Это обусловлено тем, что для цепей управления этими радиокомпонентами требуются небольшие мощности, вследствие чего на одном кристалле полупроводниковой микросхемы можно размещать десятки тысяч транзисторов.

Полупроводниковым сырьём для изготовления полевых транзисторов являются следующие материалы:

1. карбид кремния;
2. арсенид галлия;
3. нитрид галлия;
4. фосфид индия.

Устройство и принцип работы полевого транзистора.

ПТ состоит из трёх элементов – истока, стока и затвора. Функции первых двух очевидны и состоят соответственно в генерировании и приёме носителей электрического заряда, то есть электронов или дырок. Предназначение затвора заключается в управлении током, протекающим через полевой транзистор. Таким образом, мы получаем классический триод с катодом, анодом и управляющим электродом.

В момент подачи напряжения на затвор возникает электрическое поле, изменяющее ширину p-n-переходов и влияющее на величину тока, который протекает от истока к стоку. При отсутствии управляющего напряжения ничто не препятствует потоку носителей заряда. С повышением управляющего напряжения канал, по которому движутся электроны или дырки, сужается, а при достижении некоего предельного значения закрывается вовсе, и ПТ входит в так называемый режим отсечки. Как раз это свойство полевых транзисторов и позволяет использовать их в качестве ключей.

Усилительные свойства радиокомпонента обусловлены тем, что мощный электрический ток, протекающий от истока к стоку, повторяет динамику напряжения, прикладываемого к затвору. Другими словами, с выхода усилителя снимается такой же по форме сигнал, что и на управляющем электроде, только гораздо более мощный.

Распространённые типы полевых транзисторов.

В настоящее время в радиоаппаратуре применяются ПТ двух основных типов – с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором. Опишем подробнее каждую модификацию.

1. Управляющий p-n-переход.

Эти полевые транзисторы представляют собой удлинённый полупроводниковый кристалл, противоположные концы которого с металлическими выводами играют роль стока и истока. Функцию затвора исполняет небольшая область с обратной проводимостью, внедрённая в центральную часть кристалла. Так же, как сток и исток, затвор комплектуется металлическим выводом.

Электронно-дырочный p-n-переход в таких полевых транзисторах получил название управляющего, поскольку напрямую изменяет мощность потока носителей заряда, представляя собой физическое препятствие для электронов или дырок (в зависимости от типа проводимости основного кристалла).

2. Изолированный затвор.

Конструкция этих полевых транзисторов отличается от описанных выше ПТ с управляющим p-n-переходом. Здесь полупроводниковый кристалл играет роль подложки, в которую на некотором удалении друг от друга внедрены две области с обратной проводимостью. Это исток и сток соответственно. Функцию затвора исполняет металлический вывод, который отделяется от кристалла слоем диэлектрика и, таким образом, электрически с ним не контактирует.

Из-за того, что в конструкции этих полевых транзисторов используются три типа материалов – металл, диэлектрик и полупроводник, – данные радиокомпоненты часто именуют МДП-транзисторами. В элементах, которые формируются в кремниевых микросхемах планарно-эпитаксиальными методами, в качестве диэлектрического слоя используется оксид кремния, в связи с чем буква «Д» в аббревиатуре заменяется на «О», и такие компоненты получают название МОП-транзисторов.

Существует два вида этих полевых транзисторов – с индуцированным и встроенным каналом. В первых физический канал отсутствует и возникает только в результате воздействия электрического поля от затвора на подложку. Во вторых канал между истоком и стоком физически внедрён в подложку, и напряжение на затворе требуется не для формирования канала, а лишь для управления его характеристиками.

Схемотехническое преимущество ПТ с изолированным затвором перед транзисторами с управляющим p-n-переходом заключается в более высоком входном сопротивлении. Это расширяет возможности применения данных элементов. К примеру, они используются в высокоточных устройствах и прочей аппаратуре, критичной к электрическим режимам.

В силу конструктивных особенностей МОП-транзисторы чрезвычайно чувствительны к внешним электрическим полям. Это вынуждает соблюдать особые меры предосторожности при работе с этими радиодеталями. В частности, в процессе пайки необходимо использовать паяльную станцию с заземлением, а, кроме того, заземляться должен и человек, выполняющий пайку. Даже маломощное статическое электричество способно повредить полевой транзистор.

Схемы включения полевых транзисторов.

В зависимости от того, каким образом ПТ включается в усилительный каскад, существует три схемы – с общим истоком, с общим стоком и с общим затвором. Способы различаются тем, на какие электроды подаются питающие напряжения, и к каким цепям присоединяются источник сигнала и нагрузка.

Схема с общим истоком используется чаще всего, так как именно в этом случае достигается максимальное усиление входного сигнала. Способ включения ПТ с общим стоком используется, главным образом, в устройствах согласования, поскольку усиление здесь небольшое, но входной и выходной сигналы совпадают по фазе. И, наконец, схема с общим затвором находит применение, в основном, в высокочастотных усилителях. Полоса пропускания при таком включении полевого транзистора гораздо шире, чем при других схемах.

Характеристики аналоговых переключателей на переходных полевых транзисторах

% PDF-1.4 % 292 0 объект >>>>> / StructTreeRoot 287 0 R / Тип / Каталог >> эндобдж 285 0 объект > эндобдж 286 0 объект > поток 1ACVISION Technologiesapplication / pdf

Jomeswarng, Paichitr

Характеристики аналоговых переключателей на соединительных полевых транзисторах

PdfCompressor 6.0.5152014-04-10T13: 55: 16-08: 002014-04-16T08: 41: 44-07: 002014-04-16T08: 41: 44-07: 00uuid: 7995c416-167e-4da4-93f5-9009f3dd6ce7uuid : 205b76bd-0b9d-4a49-ab5f-e0ca95f90e33 конечный поток эндобдж 289 0 объект > эндобдж 287 0 объект > эндобдж 288 0 объект > эндобдж 293 0 объект > эндобдж 1 0 объект > эндобдж 7 0 объект > эндобдж 13 0 объект > эндобдж 19 0 объект > эндобдж 25 0 объект > эндобдж 31 0 объект > эндобдж 37 0 объект > эндобдж 43 0 объект > эндобдж 49 0 объект > эндобдж 55 0 объект > эндобдж 61 0 объект > эндобдж 67 0 объект > эндобдж 73 0 объект > эндобдж 79 0 объект > эндобдж 85 0 объект > эндобдж 91 0 объект > эндобдж 97 0 объект > эндобдж 103 0 объект > эндобдж 109 0 объект > эндобдж 115 0 объект > эндобдж 121 0 объект > эндобдж 127 0 объект > эндобдж 133 0 объект > эндобдж 139 0 объект > эндобдж 145 0 объект > эндобдж 151 0 объект > эндобдж 157 0 объект > эндобдж 163 0 объект > эндобдж 169 0 объект > эндобдж 175 0 объект > эндобдж 181 0 объект > эндобдж 187 0 объект > эндобдж 193 0 объект > эндобдж 199 0 объект > эндобдж 205 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 211 0 объект > эндобдж 217 0 объект > эндобдж 223 0 объект > эндобдж 229 0 объект > эндобдж 235 0 объект > эндобдж 241 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 247 0 объект > эндобдж 253 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 259 0 объект > эндобдж 265 0 объект > эндобдж 271 0 объект > / ProcSet [/ PDF / Text / ImageB] / XObject >>> / Rotate 0 / Type / Page >> эндобдж 277 0 объект > эндобдж 278 0 объект > / ProcSet [/ PDF / ImageB / Text] / XObject >>> эндобдж 279 0 объект > поток

Цепи переключения на полевых транзисторах со смещением | Схема переключения полевого МОП-транзистора

Цепи переключения смещения на полевых транзисторах:

Переключение полевого транзистора — Схема переключения полевого транзистора со смещением обычно находится в выключенном состоянии с нулевым током стока или во включенном состоянии с очень малым напряжением сток-исток.Когда полевой транзистор выключен, ток утечки сток-исток настолько мал, что им почти всегда можно пренебречь. Когда устройство включено, падение напряжения сток-исток зависит от сопротивления канала (r _{DS (on)} ) и тока стока (I _D ).

Полевые транзисторы, разработанные специально для коммутации, имеют очень низкое сопротивление канала. Например, у 2N4856 r _{DS (вкл.)} = 25 Ом. При низких уровнях I _D r _{DS (on)} может быть намного меньше, чем 0.2 В стандартно V _{CE (sat)} для BJT. Это важное преимущество переключателя на полевом транзисторе перед переключателем BJT.

Цепь переключения JFET с прямой связью:

Цепи переключения полевых транзисторов с прямой связью с смещением показаны на рис. 10-54 (a), а формы сигналов схемы показаны на рис. 10-54 (b). Когда V _i = 0, напряжения затвора и истока полевого транзистора равны, и нет проникновения области обеднения в канал. Выходное напряжение теперь составляет В _o = В _{DS (вкл.)} , как выражено уравнением.10-20. Когда V _i превышает напряжение отсечки полевого транзистора, устройство выключается, и выходное напряжение падает до V _DD , как показано.

Предполагая, что V _{DS (on)} очень мало, уровень тока стока определяется из,

Уравнение 10-21 может использоваться для определения R _D , когда указаны V _DD и I _D , или для вычисления I _D , когда известно R _D . Затем можно использовать уровень I _D для определения V _{DS (вкл.).} Самый низкий ток стока, который можно использовать, должен быть намного больше, чем указанный ток утечки сток-исток для устройства.

Для отключения полевого транзистора напряжение V _и должно превышать максимальное напряжение отсечки. Однако V _i не должно быть настолько большим, чтобы напряжение сток-затвор (V _DG = V _DD + V _i ) приближалось к напряжению пробоя. Практическое правило — выбирать входное напряжение на 1 В больше, чем V _{P (max)} .

Затворный резистор (R _G ) в схеме на рис.10-54 предназначен исключительно для ограничения любого тока затвора в случае, если переходы затвор-исток становятся смещенными в прямом направлении. Схема могла бы работать удовлетворительно с R _G , выбранным как 1 МОм, однако резисторы большого номинала могут снизить скорость переключения схемы, поэтому для R _G часто используются довольно небольшие значения сопротивления.

Коммутационные схемы JFET с конденсаторной связью:

Две схемы переключения смещающих полевых транзисторов с конденсаторной связью показаны на рис.10-55. Полевой транзистор на рис. 10-55 (a) обычно включен, потому что у него V _GS = 0, а устройство на рис. 10-55 (b) обычно выключено с -V _GS больше, чем напряжение отсечки. В обеих схемах полевой транзистор включается или выключается входным импульсом с конденсаторной связью. В процедуре проектирования этих схем используются уравнения, уже обсуждавшиеся для схем переключения на полевых транзисторах с прямой связью смещения.

MOSFET Переключение:

На рисунке 10-56 показаны две коммутационные схемы полевых МОП-транзисторов с конденсаторной связью.На рис. 10-56 (a) полевой транзистор смещен, потому что V _GS = 0. Для включения устройства требуется положительный входной сигнал. Полевой транзистор на рис. 10-56 (b) смещен положительным V _GS , обеспечиваемым R ₁ и R ₂ . В этом случае необходимо приложить отрицательное входное напряжение для выключения полевого транзистора. Уравнения 10-20 и 10-21 могут быть применены к этим схемам для расчета I _D и V _{DS (вкл)} . Чтобы включить устройство на желаемый уровень тока стока, можно использовать передаточные характеристики, если они доступны.

Микроконтроллер Drivign FET транзистор

Интерфейс микроконтроллера — Часть 9 Коммутация на полевых транзисторах Голы В предыдущих разделах было показано, как использовать биполярные транзисторы для переключения нагрузок с более высокими токами и / или напряжениями, чем может обрабатывать непосредственно выходной контакт микроконтроллера.В этом разделе показано, как использовать другой тип транзистора, полевой транзистор (FET), который может иметь преимущества в некоторых схемах. Основы полевых транзисторов Часть 7 описывает работу транзисторов с биполярным переходом (BJT). Эти транзисторы известны как устройства с регулируемым током. По сути, ток коллектора BJT — это ток базы, умноженный на коэффициент усиления транзистора. Полевой транзистор — это устройство, управляемое напряжением. Как и BJT, полевой транзистор имеет три контакта.Это затвор, сток и исток. На затвор подается управляющее напряжение. Существует несколько типов полевых транзисторов. Сначала есть канал N и канал P. Затем есть варианты режима улучшения и режима истощения. Тогда есть и другие варианты. Наиболее распространенным типом полевого транзистора в схемах переключения является MOSFET (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Мы ограничим обсуждение N каналом, режимом расширения MOSFET. Это наиболее часто используемые полевые транзисторы в схемах на основе микроконтроллеров.Если не указано иное, всякий раз, когда используется термин FET, он будет относиться к N-канальному MOSFET в режиме расширения. Лучше всего рассматривать полевой транзистор как переменный резистор, управляемый напряжением.Резистор находится между выводами истока и стока. Величина резистора будет зависеть от напряжения между затвором и истоком (Vgs). Если напряжение равно нулю вольт, сопротивление будет очень высоким (несколько миллионов Ом) и, по сути, будет разомкнутой цепью. Если Vgs выше определенного уровня, сопротивление будет очень низким (несколько Ом или меньше). В технических данных это значение будет обозначаться как Rds (сопротивление сток-исток). Если Vgs, иногда называемое просто напряжением затвора, находится между этими пределами, сопротивление будет где-то между низким и высоким.Это относится к линейному диапазону. Обычно мы не хотим, чтобы полевой транзистор находился в линейном диапазоне в коммутационных приложениях. Для выходного контакта микроконтроллера базовый контакт BJT выглядит как диод. Вывод должен пропускать ток через этот диод. Затвор, управляющий вывод полевого транзистора, выглядит как небольшой конденсатор между выводами затвора и истока. Единственный ток, который течет, — это величина, необходимая для заряда или разряда этой емкости. После того, как конденсатор заряжен, ток не будет течь до тех пор, пока состояние выходного контакта микроконтроллера не изменится. Пример: управление реле В разделе 7 мы использовали пример биполярного транзистора для переключения реле. Мы вернемся к этой проблеме, но на этот раз воспользуемся полевым транзистором в качестве переключателя. Рисунок 9-1 показывает схему. Проблема заключается в том, чтобы управлять напряжением 12 В с выходного контакта микроконтроллера. Сопротивление катушки реле 360 Ом. Наш микроконтроллер на 5 В не может напрямую переключать 12 В без риска повреждения. Закон Ома также говорит нам: I = V / R = 12/360 = 0,033 A или 33 мА Так как микроконтроллер имеет максимальные пределы стока и источника 25 мА, у нас также не хватает тока.Мы будем использовать полевой транзистор для тяжелой работы. Давайте попробуем 2N7000 для этого приложения. Беглый взгляд на спецификации показывает некоторые ключевые параметры. 2N7000 Vds 60 В макс. Id 200 мА макс. (Непрерывно) Pd 400 мВт Rds (на) 5.3 Ом (макс.) Максимальное напряжение на устройстве Vds составляет 60 В, поэтому напряжение питания 12 В не будет проблемой.2 * R = 0,033 * 0,033 * 5,3 = 5,7 мВт 2N7000 подойдет в этом приложении. Обратите внимание на использование диода D1. Он используется для управления током, создаваемым коллапсирующим магнитным полем, возникающим при выключении полевого транзистора. Без диода напряжение на полевом транзисторе может быть достаточно высоким, чтобы вызвать повреждение. Диоды необходимы всякий раз, когда используется индуктивная нагрузка. Итак, зачем нам использовать полевой транзистор вместо BJT? Полевой транзистор 2N7000 стоит больше, чем, скажем, PN2222 BJT. В этом конкретном приложении, вероятно, нет большой причины использовать полевые транзисторы.Бывают ситуации, когда полевой транзистор имеет одно или несколько основных преимуществ. Рассмотрим конструкцию портативного устройства с батарейным питанием. Срок службы батареи — это серьезная проблема в нашем приложении, поэтому мы хотим снизить потребление тока в каждой части цепи, которую мы можем. Теперь вместо переключения энергоемкого реле нам нужно включить компонент, которому требуется 9 В (от нашей батареи), но ток всего несколько мА. В этой ситуации мы, вероятно, будем управлять базой биполярного транзистора током мА или более.Этот ток будет дополнительным расходом заряда батареи. С полевым транзистором, если частота переключения низкая, ток на затворе полевого транзистора будет незначительным. Использование полевого транзистора в этой ситуации позволит сэкономить электроэнергию. Коммутация высокой мощности Основная ситуация, когда полевые транзисторы лучше, — это сильноточные цепи. Предположим, мы хотим переключить двигатель, электрический нагреватель или другую сильноточную нагрузку. Полевые транзисторы производятся с очень низким сопротивлением между стоком и истоком.Чем ниже Rds, тем эффективнее будет схема. Допустим, мы делаем обогреватель для какого-то приложения. Нагревательный элемент работает от 24 В и потребляет 8 ампер, когда он включен. Давайте сначала посмотрим на использование биполярного транзистора. 2N3055 — это обычный сильноточный транзистор. 2N3055 Vce 60 В (макс.) Ic 15A (макс.) Vce (насыщ.) 3 В (Ic = 10A, Ib = 3A) Наши требования для Vce (24 В) и Ic (8A) намного ниже пределов для 2N3055.Все идет нормально. Теперь посмотрим на Vce (сидел). Это 3В. Что происходит, когда мы пропускаем через это 8А? Pd = Vce (насыщ.) * Ic = 3V * 8A = 24 Вт Эти 24 Вт — большая потеря мощности. Не только это, но и эта энергия преобразуется в тепло. Нам понадобится большой радиатор, чтобы безопасно отводить это тепло. Также посмотрите на ток базы транзистора как на условия для Vce (sat). Это 3А! Наш бедный микроконтроллер может подавать только 25 мА. Нам понадобится схема для повышения 25 мА до 3 А. Это добавит стоимости и сложности конструкции. Давайте посмотрим на использование полевого транзистора IRF530. Максимальное напряжение Vdss и максимальный ток Id вполне соответствуют условиям работы нашей схемы. Мы выбрали полевой транзистор типа логического уровня, чтобы мы могли напрямую управлять им с помощью нашего микропроцессора. Напряжение переключения составляет 2 В, что значительно ниже 5 В, которые подает линия микровывода. Мы будем довольно сильно использовать полевой транзистор, что хорошо, но все же ниже максимума 16 В. 2 * Rds = 8A * 8 A *.15 Ом = 9,6 Вт Мощность, рассеиваемая на полевом транзисторе, все еще довольно высока, 9,6 Вт, но она значительно ниже предела устройства 79 Вт и намного меньше, чем 24 Вт для биполярного транзистора 2N3055. Полевой транзистор по-прежнему будет нуждаться в теплоотводе, но это будет не так сложно, как с 2N3055. Приложив немного усилий, мы, вероятно, сможем найти полевой транзистор с более низким сопротивлением сопротивления, что еще больше снизит потери мощности на полевом транзисторе. IRF530 Vdss 100 В Id 17A Pd 79W Rds (на).15 Ом (Vgs = 4V, Id = 8A) Vgs (th) 2V Vgs 16V макс. ШИМ Транзисторы FET часто используются для управления двигателями постоянного тока.Что, если бы мы хотели контролировать скорость двигателя? Мы можем контролировать скорость двигателя постоянного тока, изменяя напряжение на нем. Один из способов сделать это с помощью микроконтроллера — использовать широтно-импульсную модуляцию (ШИМ). Допустим, у нас есть мотор на 12 В. Если просто подать питающее напряжение на двигатель. Он видит 12 вольт и работает на полной скорости. Теперь предположим, что мы очень быстро включили и выключили 12В. Время включения и выключения одинаковы. Он работает в 50% случаев и выключен в 50% случаев. Считается, что сигнал имеет рабочий цикл 50%.Среднее напряжение, которое будет видеть двигатель, составляет 50% от 12 В или 6 В. Мотор работает медленнее при 6В. Допустим, мы изменили рабочий цикл на 75%. Напряжение сейчас включено 75% времени и отключено 25% времени. Двигатель теперь видит в среднем 75% от 12 В или 9 В. Он работает быстрее, чем при 6 В, но медленнее, чем при 12 В. Мы можем создать любое напряжение от 0 до 12 В, изменив рабочий цикл. Многие микроконтроллеры имеют встроенные периферийные устройства с ШИМ. После того, как вы их настроите, они будут работать с заданной частотой и рабочим циклом без какого-либо дополнительного внимания.Если ваш микроконтроллер не имеет ШИМ, вы можете сделать то же самое с аппаратными или программными таймерами, контролирующими вывод. Схемы ШИМ обычно работают на нескольких десятках кГц. Это может вызвать ситуацию, которая, если ее не принять во внимание, может привести к разрушению полевого транзистора. Помните, ранее мы говорили, что затвор выглядит как конденсатор для выходной линии микроконтроллера. Этот конденсатор необходимо заряжать или разряжать каждый раз при переключении управляющего сигнала. Пока конденсатор заряжается или разряжается, полевой транзистор не будет ни включен, ни выключен.Он будет в своем линейном диапазоне, а Rds будет между Rds (вкл.) И Rds (выкл.). Ток, протекающий через полевой транзистор, вызовет рассеяние большой мощности. В приведенных выше примерах мы не включали и выключали нагрузку очень быстро, поэтому у полевого транзистора есть время, чтобы рассеять дополнительное тепло между переходами, и его обычно можно игнорировать. Если полевой транзистор меняет состояния 20 000 раз в секунду (частота ШИМ 10 кГц), он будет проводить больший процент своего времени в этом линейном диапазоне. Возможно, что мощность, рассеиваемая полевым транзистором в этих условиях, превысит максимальные значения и разрушит полевой транзистор. Величина емкости затвора на самом деле является зарядом затвора и будет показана в листе данных. Полевые транзисторы большей мощности имеют более крупные матрицы и, следовательно, будут иметь больший заряд затвора. В таких ситуациях необходимо управлять затвором с достаточным напряжением и током для зарядки (разрядки) затвора достаточно быстро, чтобы время, проведенное в линейной области полевого транзистора, было очень коротким. Это часто делается с помощью специальных схем или микросхем драйверов на полевых транзисторах. Расчеты и методы компоновки печатной платы для высокоскоростной ШИМ выходят за рамки этого руководства.У производителей полевых транзисторов есть указания по применению, в которых эта тема рассматривается более подробно. Резюме Полевые транзисторы являются альтернативой биполярным транзисторам для переключения нагрузок за пределами диапазона микроконтроллера для непосредственного управления.Полевые транзисторы обычно лучше подходят для приложений, где требуются большие токи, и в некоторых ситуациях с низким энергопотреблением. Схемы на полевых транзисторах требуют особого внимания, особенно при более высоких скоростях переключения. Gotcha List 1.Убедитесь, что полевой транзистор может выдерживать напряжение и ток, необходимые для нагрузки. 2. Рассмотрите возможность использования полевых транзисторов с переключением логического уровня для упрощения взаимодействия с микроконтроллерами. 3. Защитите транзистор демпфирующим диодом, если нагрузка представляет собой реле, соленоид, двигатель или иную индуктивную нагрузку. 4. В приложениях с ШИМ большой мощностью необходимо учитывать требования к приводу, чтобы избежать заряда затвора.

Специальный выпуск: полевой транзистор с крутым переключением

Редакторы специальных выпусков

Проф.Д-р Ильхван Чо
Электронная почта Веб-сайт
Гостевой редактор

Кафедра электронной инженерии, Университет Мёнджи, Йонъин 17046, Корея
Интересы: туннельных транзисторов; полупроводниковые запоминающие устройства; 3D транзисторы

Проф. Д-р Сангван Ким
Электронная почта Веб-сайт
Гостевой редактор

Кафедра электротехники и вычислительной техники, Университет Аджу, Сувон 16499, Корея
Интересы: проектирование, изготовление, измерение, определение характеристик и моделирование наноразмерных устройств, совместимых с CMOS / CMOS; нейроморфные устройства

Проф.Д-р Гарам Ким
Электронная почта Веб-сайт
Гостевой редактор

Департамент электронной инженерии, Университет Мёнджи, Йонъин 17046, Корея
Интересы: CMOS-совместимых устройств; безконденсаторные модули DRAM 1T; Светодиоды на основе GaN; Датчики изображения CMOS

Информация о специальном выпуске

Уважаемые коллеги,

Различные устройства с крутой коммутацией, включая туннельные полевые транзисторы (FET), полевые транзисторы с отрицательной емкостью, полевые транзисторы с обратной связью и нано-электромеханические полевые транзисторы, были исследованы в попытках снизить динамическую мощность и повысить скорость работы.Устройства могут преодолевать предел переключения полевого МОП-транзистора с различными рабочими механизмами и / или улучшенной связью затвор-канал. Несмотря на теоретические преимущества, в каждом полевом транзисторе с крутой коммутацией все еще существуют различные технические проблемы, и требуются инновационные решения. В этом специальном выпуске мы сосредоточимся на разработке устройств с крутой коммутацией для различных приложений, таких как компоненты логических схем или нейроморфных схем, устройства памяти и датчики. Приветствуются статьи, короткие сообщения и обзорные статьи, охватывающие широкий круг возможных тем, включая изготовление, моделирование, определение характеристик и симуляцию.Все заявки будут рассмотрены в соответствии с обычными процедурами Micromachines .

Проф. Д-р Ильхван Чо
Проф. Д-р Сангван Ким
Проф. Д-р Гарам Ким
Приглашенные редакторы

Информация для подачи рукописей

Рукописи должны быть отправлены онлайн по адресу www.mdpi.com, зарегистрировавшись и войдя на этот сайт. После регистрации щелкните здесь, чтобы перейти к форме отправки. Рукописи можно подавать до установленного срока.Все статьи будут рецензироваться. Принятые статьи будут постоянно публиковаться в журнале (как только они будут приняты) и будут перечислены вместе на веб-сайте специального выпуска. Приглашаются исследовательские статьи, обзорные статьи, а также короткие сообщения. Для запланированных статей название и краткое резюме (около 100 слов) можно отправить в редакцию для объявления на этом сайте.

Представленные рукописи не должны были публиковаться ранее или рассматриваться для публикации в другом месте (за исключением трудов конференции).Все рукописи тщательно рецензируются в рамках процесса одинарного слепого рецензирования. Руководство для авторов и другая важная информация для подачи рукописей доступна на странице Инструкции для авторов. Micromachines — это международный рецензируемый ежемесячный журнал с открытым доступом, публикуемый MDPI.

Пожалуйста, посетите страницу Инструкции для авторов перед отправкой рукописи. Плата за обработку статьи (APC) для публикации в этом журнале с открытым доступом составляет 1800 швейцарских франков.Представленные статьи должны быть хорошо отформатированы и написаны на хорошем английском языке. Авторы могут использовать MDPI Услуги редактирования на английском языке перед публикацией или во время редактирования автора.

Ключевые слова

• Транзистор полевой туннельный
• Полевой транзистор обратной связи
• Полевой транзистор отрицательной емкости
• Наноэлектромеханический полевой транзистор

Этот специальный выпуск открыт для отправки.

В чем разница между полевыми транзисторами (FET), продаваемыми как переключатели, иусилители?

Для силовых полевых МОП-транзисторов существует хорошее практическое правило: чем новее деталь, тем лучше она оптимизирована для коммутации приложений. Первоначально полевые МОП-транзисторы использовались в качестве проходных элементов в линейных регуляторах напряжения (без базового тока, ухудшающего потери холостого хода или общей эффективности) или в аудиоусилителях класса AB. Сегодня движущей силой разработки новых поколений полевых МОП-транзисторов является, конечно же, повсеместное распространение импульсных источников питания и постоянное стремление к управлению двигателями с помощью преобразователей частоты.Все, что было достигнуто в этом отношении, является не чем иным, как впечатляющим.

Некоторые характеристики, которые улучшались с каждым новым поколением переключаемых полевых МОП-транзисторов:

• Нижний R _{DS, на} — Поскольку минимизация потерь проводимости означает максимизацию общей эффективности.
• Меньше паразитной емкости — поскольку меньший заряд вокруг затвора помогает снизить потери при движении и увеличивает скорость переключения; меньшее время, затрачиваемое на переключение переходов, означает меньшие коммутационные потери.
• Меньшее время обратного восстановления внутреннего диода; связано с более высоким рейтингом dV / dt — это также помогает уменьшить потери при переключении, и это также означает, что вы не можете так легко разрушить MOSFET, когда вы заставляете его отключаться очень, очень быстро.
• Устойчивость к лавинам — в коммутационных приложениях всегда задействован индуктор. Отключение тока в катушке индуктивности означает создание больших скачков напряжения. Если они плохо оттянуты или полностью не зажаты, выбросы будут выше, чем максимальное номинальное напряжение полевого МОП-транзистора.Хороший рейтинг лавин означает, что вы получите дополнительный бонус до того, как произойдет катастрофический отказ.

Однако есть одна не очень известная проблема для линейных приложений полевых МОП-транзисторов, которая стала более заметной с их новыми поколениями:

• FBSOA (безопасная рабочая зона со смещением в прямом направлении), то есть возможность управления мощностью в линейном режиме работы.

По общему признанию, это проблема с любым типом MOSFET, старым и новым, но старые процессы были немного более снисходительными.Это график, который содержит наиболее важную информацию:

Источник: APEC, IRF

Для высокого напряжения затвор-исток повышение температуры приведет к увеличению сопротивления в открытом состоянии и уменьшению тока стока. Для коммутационных приложений это просто идеально: полевые МОП-транзисторы доводятся до хорошего насыщения с высоким V _GS . Подумайте о параллельных МОП-транзисторах и имейте в виду, что один МОП-транзистор имеет множество крошечных параллельных МОП-транзисторов на своей микросхеме. Когда один из этих полевых МОП-транзисторов нагревается, он будет иметь повышенное сопротивление, и больший ток будет «забираться» его соседями, что приведет к хорошему общему распределению без горячих точек.Потрясающие.

Для V _GS ниже значения, в котором пересекаются две линии, называемого кроссовером нулевой температуры (см. Приложение 1155 IRF), однако повышенная температура приведет к снижению R _{DS на} , и в увеличенном токе стока. Это то место, где термический выход из строя постучит в вашу дверь, вопреки распространенному мнению, что это явление только для BJT. Возникнут горячие точки, и ваш полевой МОП-транзистор может впечатляющим образом самоуничтожиться, унеся с собой некоторые из прекрасных схем по соседству.

Ходят слухи, что более старые боковые полевые МОП-транзисторы имели лучше согласованные характеристики передачи между своими внутренними, параллельными, встроенными МОП-транзисторами по сравнению с более новыми траншеевидными устройствами, оптимизированными для вышеупомянутых характеристик, важных для коммутационных приложений. Это дополнительно подтверждается статьей, на которую я уже ссылался, в которой показано, как новые устройства имеют даже увеличивающийся V _GS для точки перехода при нулевой температуре.

Короче говоря: есть силовые MOSFET, которые лучше подходят для линейных приложений или коммутационных приложений.Поскольку линейные приложения стали чем-то вроде нишевого приложения, например для токоподводов, управляемых напряжением, необходимо проявлять особую осторожность в отношении графика для зоны безопасной эксплуатации со смещением в прямом направлении (FB-SOA). Если он не содержит линии для работы постоянного тока, это важный намек на то, что устройство, скорее всего, не будет хорошо работать в линейных приложениях.

Вот еще одна ссылка на статью IRF с хорошим резюмированием большинства вещей, которые я здесь упомянул.

MOSFET Коммутаторы

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Изучите работу переключателей Power MOSFET.
• Признать важные характеристики силовых полевых МОП-транзисторов.
• Выберите подходящие силовые полевые МОП-транзисторы для переключения постоянного тока.
• Описать типовые схемы драйверов для силовых полевых МОП-транзисторов при коммутации и управлении сильноточными нагрузками.
• Ознакомьтесь с типичными мерами безопасности для предотвращения повреждений из-за перегрева, перенапряжения или перегрузки по току.

Строительство переключателей MOSFET.

Рис. 4.6.2 Переключатель MOSFET

Рис. 4.6.3 ШИМ + логика

Источник сигнала

Для проверки расчетов, выполненных в модуле 4.5, схема, показанная на рис. 4.6.2, была построена на стрип-плате (proto-board). Требуется всего несколько компонентов, и схема также включает в себя оптоизолятор для изоляции любой схемы логического входа от сильноточного высоковольтного выхода, которым может управлять переключатель.

Нагрузкой схемы переключателя полевого МОП-транзистора в данном случае является лампа автомобильной фары мощностью 12 В и 36 Вт, а входом в переключатель полевого МОП-транзистора будет сигнал логического уровня с широтно-импульсной модуляцией.Это может быть обеспечено любой логической схемой, совместимой с напряжением 5 В, производящей ШИМ-сигнал на частоте в диапазоне высоких звуковых частот. В первоначальных тестах переключатель нижнего уровня N-канального МОП-транзистора был подключен к схеме с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) + логическая схема, основанная на модифицированной версии конструкции с одним таймером 555 (рис. 4.4.8) в разделе Learnabout-Electronics Oscillators, где описание его работы можно найти. Для этих испытаний был добавлен инвертор Шмитта, чтобы гарантировать быстрое нарастание и спад выходного сигнала ШИМ.Вы можете скачать полную информацию о конструкции схемы ШИМ здесь.

A В качестве альтернативы переменный входной сигнал ШИМ может быть получен из любой схемы, имеющей логический выход 5 В, такой как Arduino, как показано на рис. 4.6.9, в этом случае выполняется простой эскиз ШИМ, который постоянно затемняет и увеличивает яркость лампы.

Принципиальная схема коммутатора показана на рис. 4.6.5, а схема начальных испытаний — на рис. 4.6.1.

Рис. 4.6.4 Переключатель нижнего уровня канала N

Источники широтно-импульсной модуляции

Два выхода доступны из схемы ШИМ, которые являются фактическим сигналом ШИМ и инвертированной версией.Любой из них может быть применен к входным клеммам схемы MOSFET. Для тестирования выход переключателя MOSFET был подключен к нагрузке 36 Вт (лампа автомобильной фары), подключенной между источником питания лампы 12 В и клеммой стока переключателя MOSFET, как показано на рис. 4.6.5. Это представляет собой максимальную нагрузку 3А, на которую рассчитана схема, поскольку 3А также является общим максимальным током, доступным от стендовых источников питания.

Входной сигнал ШИМ также может быть получен из любой схемы, имеющей логический выход 5 В, такой как Arduino, как показано на рисунке 4.6.8, в данном случае выполняется простой скетч PWM, который постоянно затемняет и увеличивает яркость лампы.

Работа схемы широтно-импульсного модулятора основана на схеме 555, описанной в модуле генераторов 4.4. Для использования в качестве драйвера MOSFET схема была немного изменена, чтобы увеличить частоту ее работы, так как при ее использовании для управления нагрузками, такими как щеточные двигатели постоянного тока, частота работы должна быть достаточно высокой, чтобы не вызывать слышимого завывания, так как индуктивный характер двигателя может заставить его работать как громкоговоритель на низких частотах.Действие оптоизолятора также описано в Модуле 5.2 «Полупроводники».

Схема переключателя полевого МОП-транзистора

Рис. 4.6.5 Переключатель MOSFET с изолированным входом

Оптоизолятор (IC1) и два его резистора R1 и R2 не являются абсолютно необходимыми для работы полевого МОП-транзистора, но очень желательны, потому что вся схема представляет собой очень полезный автономный переключатель, подходящий для взаимодействия со многими низковольтными и низковольтными Электроника к периферийным устройствам с более высоким напряжением / током.IC1 выполняет две функции; он изолирует любую внешнюю схему управления от полевого МОП-транзистора, а также увеличивает амплитуду логического сигнала 5 В в достаточной степени, чтобы управлять стандартным (т.е. не версией с логическим входом) полевым МОП-транзистором без необходимости в дополнительном усилителе. Назначение R3 — предотвратить или ослабить любой звон, который может быть вызван комбинацией емкости затвора и индуктивности любой проводки, особенно в схемах возбуждения, работающих на высоких частотах, где это более важно при управлении цепями более высокой частоты, такими как импульсные источники питания.Типичное значение для R3 составляет 100 Ом или меньше, так как более высокие значения могут замедлить переключение.

При переключении полевых МОП-транзисторов важно, чтобы время переключения между выключенным и включенным состояниями было как можно короче. Когда полевой МОП-транзистор полностью включен (насыщен), напряжение сток-исток близко к нулю, поэтому, хотя может протекать большой ток, рассеиваемая мощность (I ² R) очень мала. Когда полевой МОП-транзистор выключен, между стоком и истоком будет большое напряжение, но ток практически не протекает, поэтому мощность, рассеиваемая на полевом МОП-транзисторе, практически равна нулю.Однако во время переключения между включением и выключением и напряжение, и ток будут значительными, и поэтому большое количество энергии будет рассеиваться в течение очень короткого времени. Следовательно, чем быстрее можно будет включить или выключить полевой МОП-транзистор, тем меньше будет рассеиваться мощность. Общая мощность, рассеиваемая во время каждого рабочего цикла, будет приблизительно равна сумме рассеиваемой мощности в течение каждого из периодов включения и выключения.

R4 гарантирует, что при выключении полевого МОП-транзистора при удалении положительного сигнала возбуждения затвора емкость затвора немедленно разряжается до нуля вольт, а не остается близкой к уровню включения, что снижает вероятность случайного включения полевого МОП-транзистора.D1 подключается к клеммам нагрузки, чтобы предотвратить повреждение полевого МОП-транзистора из-за обратной ЭДС при использовании с индуктивными нагрузками.

Рис. 4.6.6 Формы сигналов оптоизолятора 4N25

Рис. 4.6.7a Форма кривой утечки при минимальной мощности

Рис. 4.6.7b Форма кривой утечки при максимальной мощности

Если посмотреть на переключающее действие полевого МОП-транзистора, можно увидеть осциллограммы на рис. 4.6.6 и 4.6.7 а и б. Обратите внимание на рис. 4.6.6, что существует некоторая кривизна нарастающего напряжения в форме волны B (выход оптоизолятора), которая имеет тенденцию замедлять переключение.Это связано с относительно медленным временем включения (по сравнению с рабочей частотой) оптоизолятора. Однако, глядя на осциллограммы стока на рис. 4.6.7 a и b, это не повлияло отрицательно на время включения полевого МОП-транзистора, поскольку кривизна формы выходного сигнала оптоизолятора находится в основном на верхних уровнях напряжения стробирующего сигнала 10 В от пика до пика после того, как полевой МОП-транзистор уже включился. Обратите внимание, что оптоизолятор 4N25 не считается особенно быстродействующим; существует ряд более быстрых устройств, в которых в качестве выходного компонента используются оптические диоды вместо оптранзисторов, однако они, как правило, стоят дороже и с большей вероятностью будут использоваться в более высокочастотных системах.

Температурные испытания

При проверке превышения температуры для всей цепи, показанной на рис. 4.6.8 и 4.6.9 было обнаружено, что, хотя расчеты предполагали, что повышение температуры будет незначительно выше 25 ° C, замкнутый контур, показанный на рис. 4.6.9, фактически работал при максимальной температуре около 28 °. Выше, чем предполагают расчеты, но все же находится в безопасных пределах при использовании двигателя 3А в качестве нагрузки. Однако, когда цепь подключена к лампе мощностью 36 Вт, как показано на рис.4.6.8 рост температуры был значительно выше, примерно до 37 ° C, это, по-видимому, отчасти было связано с тем, что лампа (очень горячая) находилась так близко к полевому МОП-транзистору и, следовательно, повышала температуру окружающей среды. Температура полевого МОП-транзистора упала почти до 29 °, когда между лампой и полевым МОП-транзистором был помещен небольшой губчатый экран.

Рис. 4.6.8 Arduino, управляющая лампой мощностью 36 Вт.

Рис. 4.6.9 Arduino и двигатель постоянного тока 3А.

Таким образом, переключатель хорошо работал как с резистивной (лампа 12 В), так и с индуктивной (щеточный двигатель постоянного тока) нагрузкой до 3 А при питании от источника 12 В с входом от источника логики 5 В.Входной сигнал подавался либо простой схемой широтно-импульсного модулятора, либо Arduino.

Схема также показала хорошие результаты, когда полевой МОП-транзистор был заменен на МОП-транзистор логического уровня 039N04L. В этом случае не было бы строгой необходимости использовать оптоизолятор 4N25 для повышения уровня логического входа до 10Vpp, необходимого для IRFZ44N, но тогда входная цепь будет подвержена любой неисправности в цепи MOSFET. Таким образом, дополнительные расходы на использование оптоизолятора по сравнению с сломанной Arduino оправданы.

Переключение верхней и нижней сторон

Полевой МОП-транзистор в приведенном выше примере размещается между нагрузкой и землей, поэтому этот метод работы называется переключением нижнего уровня и представляет собой простой и часто используемый метод использования переключателей на полевых МОП-транзисторах. Однако есть некоторые приложения, в которых это может быть неприемлемо, например, когда нагрузка требует заземления, как и других устройств нагрузки. Также, когда полевой МОП-транзистор выключен и ток через нагрузку прекращается, напряжение в точке X на рис.4.6.11a будет при напряжении питания. Хотя это может не быть проблемой при низких напряжениях, полевые МОП-транзисторы могут использоваться для переключения цепей высокого напряжения, где наличие высокого напряжения в явно неактивной цепи может быть проблемой безопасности, создавая опасность поражения электрическим током. Чтобы устранить любую из этих проблем, можно использовать переключение высокого уровня, как показано на рис. 4.6.11b. где, когда полевой МОП-транзистор отключается, напряжение на нагрузке (и в точке X) будет равно нулю (при условии, что полевой МОП-транзистор не разовьет короткое замыкание).

Рис. 4.6.11 Переключение нижней и верхней стороны

Коммутацию нижней стороны легко реализовать с помощью N-канальных силовых полевых МОП-транзисторов, но переключение верхней стороны вызывает некоторые трудности. Основная проблема, которую необходимо преодолеть, заключается в том, что напряжение затвора (V _GS ) на N-канальном MOSFET должно быть более положительным, чем напряжение источника, чтобы включить MOSFET. Пока полевой МОП-транзистор выключен в цепи высокого напряжения, напряжение источника будет практически равным нулю, поэтому затвор может включить полевой МОП-транзистор, но как только он включен, напряжение источника будет почти таким же, как напряжение стока из-за очень низкого сопротивление проводящего полевого МОП-транзистора.Поскольку напряжение питания (а теперь и напряжение источника), вероятно, будет самым высоким напряжением в цепи, напряжение затвора не может быть выше, чем напряжение источника, и управление будет потеряно.

Рис. 4.6.12 N&P Channel

Расширенные полевые МОП-транзисторы

Переключатель MOSFET верхней стороны

Чтобы сделать переключение на верхнюю сторону возможным, можно использовать несколько методов. Самый простой из них — заменить N-канальный MOSFET на P-канальный. Условные обозначения схем для каждого из них показаны на рис.4.6.12. Единственная разница в этих символах — это направление стрелки, указывающей канал; в МОП-транзисторе P-канала стрелка теперь указывает в сторону от канала P-типа.

Однако подключение P-канала MOSFET по сравнению с N-каналом является обратным. Источник P-канала подключен к положительному источнику питания, и затвор теперь должен быть подключен к более низкому напряжению, чем источник, чтобы MOSFET мог включиться. Сток теперь подключен к более положительной стороне нагрузки, а отрицательная клемма нагрузки подключена к земле.

Рис. 4.6.13 Переключатель верхнего уровня P-канала

Схема типичного переключателя верхнего плеча, использующего полевой МОП-транзистор с каналом P, показана на рис. 4.6.13. Обратите внимание на сходства и различия между рис. 4.6.13 и 4.6.5. Сначала на рис. 4.6.13 резистор R4, предназначенный для разряда любого оставшегося потенциала на затворе при выключении, теперь подключен к положительной шине питания, а не к земле. Это указывает на то, что потенциал затвора при включении будет более отрицательным, чем напряжение питания, обеспечивающее отрицательное значение V _GS .

Рис. 4.6.13 также использует другой оптоизолятор, PC817 вместо 4N25 на рис. 4.6.5. Это несущественное различие, так как можно использовать ряд аналогичных изоляторов, просто необходимо иметь разумную форму выходного сигнала 12 В между пиками для переключения затвора MOSFET. В этом переключателе высокого уровня используется полевой МОП-транзистор с логическим уровнем 4P03L04 от Infineon, и, поскольку ему нужно только, чтобы его затвор был на 4,5 В ниже, чем напряжение питания 12 В, сигнал с напряжением 12 В, подаваемый на его затвор, легко включает или выключает МОП-транзистор.

Переключатель высокого уровня P-канала решает проблему использования полевого МОП-транзистора с N-каналом для переключения высокого уровня; однако это «лекарство» также может иметь некоторые побочные эффекты. MOSFET с каналом P обычно имеют более высокое R _{DS на} по сравнению с MOSFET N-типа, имеющими аналогичный размер внутреннего кристалла. Это означает, что в то время, когда полевой МОП-транзистор включен, МОП-транзистор P-типа будет выделять больше тепла, чем аналогичное устройство типа N. Это особенно актуально в сильноточных цепях. Однако, поскольку этот модуль ограничивается схемами с относительно низким энергопотреблением, разница в значениях R _{DS и} не вызывает беспокойства.Например, канал P 4P03L04 имеет R _{DS на значении} , равном 4,4 мОм, тогда как канал N IRFZ44N имеет R _{DS на значении} , равном 17,5 ммОм. Несмотря на это, в разделе ниже описывается метод использования N-канального MOSFET в схеме переключателя высокого напряжения.

Переключатель высокого давления канала N

Основная проблема при использовании N-канального MOSFET в переключателе на стороне высокого напряжения состоит в том, что для включения MOSFET после его выключения напряжение на выводе затвора MOSFET должно быть выше, чем у источника. напряжение, которое, поскольку полевой МОП-транзистор выключен, будет соответствовать напряжению питания Vcc.Для этого напряжение на затворе должно быть каким-то образом «сдвинуто по уровню». Этот метод обычно называется «бутстреппинг» (то есть мифическая способность поднять себя, просто потянув вверх ремни ботинка) — помимо невозможности этой задачи, самонастройка — не самое полезное название, так как есть несколько методы, используемые в других несвязанных схемах, которые используют то же имя, что обычно означает подъем некоторого значения до более высокого, чем нормальный уровень.

Фиг.4.6.14 Переключатель высокого давления канала N

В этом случае напряжение «выключения» (самое низкое напряжение волновой формы) на затворе полевого МОП-транзистора необходимо поднять как минимум до уровня напряжения питания. Например, если используется полевой МОП-транзистор с логическим уровнем, минимальное напряжение затвора будет равно напряжению питания (5 В), а пиковое напряжение затвора должно быть на 5 В выше, чем напряжение питания Vcc.

Для полевых МОП-транзисторов с нелогическим уровнем минимальное напряжение затвора должно быть примерно равным напряжению питания (например,g.12V), а пиковое напряжение примерно вдвое превышает напряжение Vcc. Цель начальной загрузки — добиться этого увеличения без внешнего источника питания.

Для этого требуется всего несколько дополнительных компонентов, но система работает только для схем MOSFET, которые постоянно включаются и выключаются (например, схемы PWM). Цепи, которые включаются на длительное время, требуют различных методов.

Как работает схема начальной загрузки

Когда выходной транзистор оптопары включен, его вывод коллектора и напряжение затвора полевого МОП-транзистора снижаются до 0 В; МОП-транзистор выключен, и при напряжении стока на уровне Vcc (12 В) конденсатор C1 заряжается через диод D1 почти до Vcc (12 В).Когда выходной транзистор оптоизолятора снова отключается, его напряжение коллектора и затвор полевого МОП-транзистора повышаются до Vcc (12 В), и полевой МОП-транзистор включается. Это, однако, также увеличивает напряжение источника до 12 В (что без начальной загрузки мгновенно отключит полевой МОП-транзистор, поскольку напряжение источника и затвора будет одинаковым). Однако, поскольку C1 теперь заряжен до 12 В, его отрицательный вывод будет на 12 В, а его положительный вывод теперь будет на 12 В + 12 В = 24 В (подтягивая напряжение затвора с помощью бутстрапов!), А также обратное смещение диода D1.Таким образом, с выводом затвора полевого МОП-транзистора теперь на 24 В, полевой МОП-транзистор остается включенным. В конце концов, конечно, конденсатор разрядится, и напряжение затвора упадет до уровня, который заставит полевой МОП-транзистор снова выключиться, за исключением того факта, что входной сигнал постоянно включается и выключается. Таким образом, при условии, что время выключения достаточно велико для перезарядки конденсатора во время каждого цикла, а время включения недостаточно велико для разряда C1 (что было бы сравнительно очень долгим временем из-за очень высокого затвора полевого МОП-транзистора. сопротивление) МОП-транзистор продолжает работать.

Схема драйвера полевого транзистора с быстрой коммутацией

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к источникам питания в целом и, в частности, к источникам питания с высокочастотными инверторами.

Было обычной практикой использовать биполярные переключающие транзисторы в качестве переключающего устройства в источниках питания инверторного типа предшествующего уровня техники. Биполярные транзисторы в источниках питания, работающих в диапазоне от 20 до 30 кГц, получили широкое распространение.Когда желательно переключить режим импульсного источника питания на частоты 200 кГц или выше, возникают проблемы с использованием биполярных транзисторов. Биполярные транзисторы управляются по току, и для них часто требуются источники тока с амперной базой. Кроме того, они демонстрируют задержки переключения из-за времени хранения неосновных носителей. Кроме того, биполярные транзисторы могут выйти из строя во второй раз; и, из-за своего отрицательного температурного коэффициента, имеют тенденцию к выходу из строя из-за скопления тока внутри устройства; и, как правило, чувствительны к колебаниям температуры.

Источники питания инверторного типа часто требуют изоляции между схемой привода и устройством переключения мощности, причем наиболее распространенный тип изоляции обеспечивается трансформатором. Когда пытаются переместить рабочие скорости в более высокие диапазоны частот, обычно требуется, чтобы трансформатор имел низкие требования к смещению, то есть низкий ток намагничивания, низкую межобмоточную емкость и низкую индуктивность рассеяния. Трансформатор, отвечающий этим требованиям для приложения с очень быстрым переключением, например в диапазоне 15 наносекунд, было бы очень сложно и дорого разработать и реализовать.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к источнику питания инверторного типа, который обеспечивает изоляцию между схемой возбуждения и устройством переключения мощности. Устройство переключения мощности представляет собой полевой транзистор, который демонстрирует характеристики, заключающиеся в том, что он управляется напряжением, а не током, и имеет очень небольшой мгновенный ток утечки, который протекает через цепь затвора, что приводит к усилению постоянного тока порядка 10 ⁹ . Кроме того, высокий импеданс, связанный со схемой затвора, позволяет подключать относительно малоточные схемы возбуждения непосредственно к схеме затвора.Полевые транзисторы являются устройствами с большинством несущих, поэтому не имеют временных задержек с сохранением на неосновных носителях. Время задержки переключения полевого транзистора может быть в наносекундном диапазоне и в первую очередь зависит от емкости затвора, которую необходимо заряжать и разряжать. Полевые транзисторы обычно не показывают отказов из-за вторичного пробоя и имеют положительный температурный коэффициент, который имеет тенденцию выравнивать ток по всему устройству. Полевые транзисторы демонстрируют характеристики температурной стабильности коэффициента усиления и времени переключения, в первую очередь из-за того, что переключение зависит от заряда и разряда емкости затвора, которая существенно не изменяется при изменении температуры.

В настоящее изобретение входит импульсный трансформатор, имеющий первичную и вторичную обмотки, причем первичные обмотки приспособлены для связи с источниками постоянного напряжения. Предусмотрено устройство переключения входа, использующее переключающий транзистор, связанный с первичными обмотками и адаптированный для приема управляющих импульсов, которые заставляют переключающий транзистор переключаться в проводящее и непроводящее состояние, тем самым создавая переменное напряжение на первичной обмотке. Схема затвора полевого транзистора соединена со вторичной обмоткой импульсного трансформатора через схему зарядки и разрядки затвора, которая работает для увеличения скорости, с которой емкость затвора заряжается во время переключения полевого транзистора на его в проводящем состоянии и для увеличения скорости разряда емкости затвора, когда полевой транзистор переключается в непроводящее состояние, что приводит к уменьшению задержки операции переключения, обычно связанной с зарядкой емкости затвора и разрядные требования.Конструкция схемы позволяет использовать относительно легко получаемые импульсные трансформаторы, вместо того, чтобы требовать выполнения требований, упомянутых выше, при обеспечении работы и изоляции действия импульсного трансформатора в схеме, обеспечивая, таким образом, источник питания инверторного типа, который работает на частотах значительно больше, чем те, которые могут быть легко достигнуты с использованием устройств с биполярным переходом.

ОБЪЕКТЫ

Ввиду вышеизложенного уровня техники и сущности изобретения целью настоящего изобретения является создание улучшенного источника питания инверторного типа, способного работать на очень высоких частотах.

Еще одной задачей этого изобретения является создание улучшенного источника питания, в котором в качестве устройства переключения мощности используется полевой транзистор.

Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный источник питания инверторного типа, который использует полевой транзистор в качестве устройства переключения мощности и включает схему для увеличения скорости зарядки емкости затвора полевого транзистора для увеличения переключение полевого транзистора в токопроводящее состояние и обеспечение схемы для увеличения скорости разряда емкости затвора для увеличения скорости, с которой полевой транзистор может быть переключен в непроводящее состояние.

Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный источник питания инверторного типа, использующий транзистор переключения мощности в качестве устройства переключения мощности, который не требует использования специально разработанных импульсных трансформаторов, обеспечивая при этом скорости переключения со скоростями порядка величина больше, чем это доступно в настоящее время при использовании устройств на биполярных транзисторах.

Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный источник питания инверторного типа с уменьшенным рассеянием мощности, требуемым при операции переключения.

Еще одна цель этого изобретения состоит в том, чтобы предоставить улучшенный источник питания инверторного типа, использующий полевой транзистор в качестве переключающего устройства, который имеет высокую степень температурной стабильности.

Эти и другие цели и преимущества изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения следующего подробного описания вместе с прилагаемыми чертежами, на которых:

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

ФИГ. .1 — блок-схема источника питания инверторного типа, имеющего изоляцию между схемой возбуждения и устройством переключения мощности и использующего схему зарядки затвора и разрядку затвора для повышения скорости переключения.

РИС. 2 является принципиальной схемой одного варианта осуществления схемы драйвера полевого транзистора с быстрым переключением по настоящему изобретению, в которой используется переключающий транзистор в пути разряда емкости затвора для увеличения скорости разряда емкости затвора.

РИС. 3 представляет собой подробную принципиальную схему схемы драйвера полевого транзистора с быстрым переключением, использующей два переключающих транзистора в схеме зарядки затвора и разрядки затвора.

РИС. 4 — альтернативная подробная принципиальная схема схемы драйвера быстродействующего полевого транзистора, использующей переключающий транзистор в схеме зарядки затвора и переключающий транзистор в схеме разрядки затвора.

РИС. 5 показаны характерные формы волны сигнала, подаваемого при управлении входом, сигнала на первичной обмотке импульсного трансформатора, сигнала на вторичной обмотке импульсного трансформатора и сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Фиг. 1 — блок-схема источника питания инверторного типа, имеющего изоляцию между схемой возбуждения и устройством переключения мощности. В данной конфигурации источник управляющих импульсов 10 обеспечивает переключение управляющих импульсов для управления работой первичной обмотки импульсного трансформатора 12. Полевой транзистор, в дальнейшем называемый полевым транзистором, используется в качестве устройства переключения мощности 14, работа которого обеспечивает мощность импульсов по линии 16 на нагрузку.Желательно переключать устройство 14 переключения мощности с такой частотой, чтобы ширина импульса составляла менее пятнадцати наносекунд, при сохранении изоляции силовой цепи от управляющей логики. Скорость, с которой может переключаться полевой транзистор, зависит от скорости, с которой затвор полевого транзистора может заряжаться и разряжаться. С этой целью схема 18 зарядки затвора соединена между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и затвором полевого транзистора для быстрой зарядки схемы затвора полевого транзистора в ответ на приложенные входные импульсы, тем самым вызывая включение полевого транзистора.Схема также обеспечивает схему 20 разрядки затвора, соединенную между вторичной обмоткой импульсного трансформатора и схемой затвора полевого транзистора для быстрого разряда емкости, когда управляющий импульс выключен, тем самым выключая полевой транзистор. Что касается уровней напряжения, то низкое напряжение затвора создает состояние выключения полевого транзистора, которое не является проводящим, в то время как относительно высокое напряжение затвора создает состояние включения, в котором полевой транзистор является проводящим.

РИС. 2 — принципиальная схема одного варианта осуществления схемы драйвера быстродействующего полевого транзистора согласно настоящему изобретению.Импульсный трансформатор T1 имеет одну клемму 22 своей первичной обмотки, подключенную к источнику постоянного напряжения V1, а другую первичную клемму, подключенную к переходу 24. Анод диода CR1 соединен с переходом 24, а его катод соединен с выводом 26, который приспособлен для подключения к источнику постоянного напряжения V2. Коллектор переключающего транзистора Q1 соединен с переходом 24, а эмиттер соединен с выводом 28, который приспособлен для приема источника постоянного напряжения V3. Базовый вывод транзистора Q1 соединен с выводом 30, который приспособлен для приема управляющих импульсов от источника (не показан).Для этого варианта осуществления V1 номинально составляет 5 вольт постоянного тока, V2 номинально составляет 12 вольт постоянного тока, а V3 номинально составляет 0 вольт постоянного тока. Диод CR1 и переключающий транзистор Q1 — это низковольтные устройства, которые доступны в продаже.

Импульсный трансформатор

T1 может быть относительно простым и недорогим из-за конфигурации схемы. Как правило, он должен иметь соотношение витков 1: 1, например, иметь четыре витка первичной обмотки и четыре витка вторичной обмотки на ферритовом тороиде диаметром 16 мм, и, предпочтительно, он должен иметь бифилярную намотку.

Схема зарядки затвора / Схема разрядки затвора состоит из вторичной обмотки импульсного трансформатора T1, диода CR2, диода CR3, переключающего транзистора Q2 и резистора R1. Переход 32 цепи соединен с анодом диода CR2, одним выводом резистора R1, одним выводом вторичной обмотки импульсного трансформатора T1 и базовым выводом переключающего транзистора Q2. Переход 34 соединен с катодом диода CR2, эмиттерным электродом переключающего транзистора Q2 и схемой g затвора для полевого транзистора Q3.Анод диода CR3 соединен с выводом коллектора переключающего транзистора Q2, а его катодный вывод соединен с общей линией 36 на переходе 37. Другой вывод резистора R1 соединен с другим выводом вторичной обмотки на переходе 38. Исток Вывод s полевого транзистора Q3 соединен с общей линией 36. Резистор R2 соединен между выводами затвора g и истока s полевого транзистора Q3. Вывод стока d полевого транзистора Q3 соединен с линией 16 для управления нагрузкой.

В процессе работы можно видеть, что импульсный трансформатор T1 переключается на источник постоянного тока V1, когда переключающий транзистор Q1 переводится в проводящее состояние подачей управляющего импульса на вывод 30.Функционально, когда переключающий транзистор Q1 включен, то есть проводит ток, полевой транзистор Q3 включается. Анод CR2 смещен положительно, переводя его в проводящее состояние. При такой проводимости ток подается на полевой транзистор Q3 затвора g, быстро заряжая емкость затвора и переключающий полевой транзистор Q3 в положение ВКЛ. Когда управляющий импульс, поданный на клемму 30, снова выключается и вызывает выключение переключающего транзистора Q1, импульсному трансформатору T1 разрешается сбросить. Во время сброса индуктивная отдача импульсного трансформатора T1 заставляет переключающий транзистор Q2 проводить, тем самым разряжая емкость затвора g полевого транзистора Q3.Диод CR3 используется для предотвращения выхода из строя диодного перехода база-коллектор Q2 при обратном смещении. Понятно, что импульсный трансформатор T1 имеет достаточную проводимость, чтобы обеспечить управление переключающим транзистором Q2, чтобы вызвать выключение полевого транзистора Q3 с желаемой скоростью. Обычно ожидается, что неизбежная индуктивность рассеяния импульсного трансформатора T1 будет ограничивать скорость, с которой емкость затвора полевого транзистора может заряжаться или разряжаться. Однако использование переключающего транзистора Q2 при выключении преобразует эту индуктивность рассеяния и эффективно снижает ее на коэффициент, равный усилению переключающего транзистора.Для тех приложений, где переключение при включении не требует такой высокой скорости переключения, как при выключении, нет необходимости использовать переключающий транзистор в пути зарядки к схеме затвора полевого транзистора Q3. Ниже будут описаны подробные варианты осуществления, которые обеспечивают работу переключающего транзистора в пути заряда, а также в пути разряда.

Резистор R1 — это демпфирующий резистор, предотвращающий чрезмерный звон или выброс импульсного трансформатора T1, и разрядный резистор.

Резистор R2 предназначен для того, чтобы гарантировать, что вывод затвора полевого транзистора Q3 не накапливает статический заряд, и обеспечивает определенный импеданс на выводе затвора для улучшения помехоустойчивости и гашения колебаний потенциала.

В этой конфигурации мощность, потребляемая в схеме переключения, очень мала, например, порядка 15 милливатт, в то время как мощность порядка 100 Вт контролируется полевым транзистором Q3.

Коммутационные транзисторы Q1 и Q2 могут быть низковольтными устройствами, но должны переключаться с очень высокой скоростью, например, порядка 50 МГц, но могут быть выбраны из компонентов, имеющихся в продаже.Точно так же диоды CR1, CR2 и CR3 могут быть выбраны из низковольтных диодных устройств, доступных на рынке, но должны быть выбраны из компонентов, имеющих сопоставимое время отклика. FET Q3 — это силовой транзистор того типа, который имеется в продаже.

РИС. 3 представляет собой подробную принципиальную схему схемы управления быстрым переключением полевого транзистора, использующей два переключающих транзистора в цепи зарядки и разрядки затвора. В этой конфигурации работа входной схемы 10 и первичной обмотки импульсного трансформатора такая же, как описано ранее.Когда компоненты, которые были описаны ранее, выполняют аналогичную функцию, им присваивается одинаковое обозначение. Как описано ранее, схема должна включать и выключать силовой полевой транзистор Q3 путем переключения его затвора g на высокий и низкий уровень соответственно в ответ на управляющие импульсы, подаваемые на входной контакт 30 на базовый контакт переключающего транзистора Q1. Относительно низкое напряжение, приложенное к выводу 30, например, в диапазоне от 0 до 2 вольт, приводит к переключению транзистора Q1 в выключенное состояние.Чтобы включить транзистор Q1, управляющие импульсы должны подаваться положительно, например, в диапазоне от 4 до 10 вольт для достижения коммутирующего действия.

В этой конфигурации используется пара переключающих транзисторов Q2N и Q2P, каждый из которых имеет свои базовые выводы, соединенные вместе в переходе 44, который, в свою очередь, соединен с катодом диода CR2 и резистором R1 в точке 46. Анод диода CR2 подключен к одному выводу вторичной обмотки импульсного трансформатора T1. Другой вывод резистора R1 соединен с общей линией 36 в точке 38.Конденсатор C1 подключен между коллекторным электродом переключающего транзистора Q2N и общей линией 36. Коллектор переключающего транзистора Q2P подключен к общей линии 36. Эмиттерные электроды переключающих транзисторов Q2N и Q2P подключены к переходу 48, который, в свою очередь, подключен к затвор g полевого транзистора Q3.

Когда работа начинается впервые, переключающий транзистор Q1 включается путем подачи управляющего импульса на его базовый электрод, тем самым подавая 5 вольт постоянного тока на первичную обмотку импульсного трансформатора T1.Напряжение, создаваемое на вторичной обмотке, будет зависеть от соотношения витков, и это вторичное напряжение будет подаваться на анод диода CR2. Положительное напряжение на аноде CR2 заставляет его пропускать ток к переходу 46, где он направляется на разряд резистора R1, к переходу 44, где он смещает переключающий транзистор Q2N, чтобы вызвать протекание тока к переходу база-эмиттер для зарядки емкости затвор g полевого транзистора Q3 и через переход база-коллектор заряжать конденсатор C1. Когда емкость затвора полностью заряжена и полевой транзистор Q3 включен, ток в цепи затвора прекращается.Поскольку анод диода CR2 все еще смещен положительно, ток продолжается, и падение потенциала на резисторе R1, вызванное протеканием тока через него, поддерживает соответствующий потенциал затвора, заставляя полевой транзистор Q3 удерживаться во включенном состоянии.

Когда переключающий транзистор Q1 выключается управляющим импульсом, первичное и вторичное напряжения на импульсном трансформаторе T1 меняются местами. Это реверсирование приводит к тому, что первичное напряжение становится равным V1 минус V2, которое для данной конфигурации будет составлять плюс 5 вольт постоянного тока минус 12 вольт постоянного тока, что дает минус 7 вольт постоянного тока.Это реверсирование напряжения преобразуется во вторичную обмотку и приводит к подаче отрицательного напряжения на анод диода CR2, что вызывает обратное смещение. Это вызывает прекращение прохождения тока через диод CR2 и, таким образом, прекращает прохождение тока к резистору R1. Когда напряжение на резисторе R1 уменьшается до 0, потенциал затвора полевого транзистора Q3 приводится в действие, чтобы выключить полевой транзистор Q3. Скорость, с которой происходит выключение, зависит от скорости, с которой емкость затвора может быть разряжена.Путь разряда проходит через переход эмиттер-база переключающего транзистора Q2P и разрядный резистор R1. Этот ток разряда усиливается за счет усиления переключающего транзистора Q2P, тем самым обеспечивая относительно большой ток разряда. Это ускоряет разряд емкости затвора полевого транзистора Q3 и заставляет его менять свое рабочее состояние на состояние ВЫКЛЮЧЕНО быстрее, чем это могло бы быть достигнуто в противном случае.

Во время реверсирования напряжения и разрядки емкости затвора будет тенденция к разрядке конденсатора C1.Эта скорость разряда будет приблизительно пропорциональна отношению емкости затвора полевого транзистора Q3 и емкости конденсатора Cl. Соответственно, конденсатор C1 выбирается с существенно большим уровнем емкости, чем емкость затвора.

Обратное напряжение на импульсном трансформаторе T1 не поддерживается и в конечном итоге падает. Тогда первичные и вторичные напряжения равны 0, а полевой транзистор Q3 остается в выключенном состоянии.

После начального цикла, когда конденсатор C1 был заряжен, работа дополнительно улучшается.Последующее приложение управляющего импульса к выводу 30 для повторного включения переключающего транзистора Q1 приводит к протеканию тока на базовом выводе переключающего транзистора Q2N. Заряд на конденсаторе C1 смещает коллектор переключающего транзистора Q2N положительно, позволяя переключающему транзистору Q2N работать в активном состоянии, и приводит к появлению зарядного тока на затворе g полевого транзистора Q3, который определяется уровнем базового тока, протекающего через переключающий транзистор Q2N. усилен коэффициентом усиления этого переключающего транзистора.Таким образом, емкость затвора полевого транзистора Q3 заряжается быстрее, и он переключается в состояние ВКЛ. В конце каждого положительного перехода затвора g полевого транзистора Q3, при котором не требуется дальнейшего стока тока, ток, который течет к базе переключающего транзистора Q2N, используется для зарядки конденсатора C1 через переход база-коллектор переключающего транзистора. Q2N. Эта функция позволяет конденсатору C1 находиться в заряженном состоянии, готовом к следующей подаче управляющего импульса на переключающий транзистор Q1.Работа переключающего транзистора Q2P такая же, как описано ранее для последующих циклов. Таким образом, из вышеизложенного можно видеть, что только что описанная схема работает эффективно за счет использования относительно недорогого импульсного трансформатора, обеспечивающего повышенную скорость переключения для силового полевого транзистора за счет использования схем зарядки и разрядки емкости затвора.

РИС. 4 — альтернативная подробная принципиальная схема схемы управления быстрым переключением полевого транзистора.Опять же, компоненты, которые были ранее описаны и обозначены ссылками, будут иметь те же ссылочные номера или ссылочные обозначения. В этой конфигурации соединения переключающих транзисторов Q2N и Q2P вместе с конденсатором C1 в основном одинаковы. Резистор R1 был удален из схемы, а диод CR2 перемещен для подключения между выводом коллектора переключающего транзистора Q2P и общей линией 36. Работа схемы очень похожа на работу, описанную со ссылкой на фиг.3, при условии, что для работы драйвера требуется некоторая дополнительная мощность из-за удаления резистора R1. Это является результатом условия, при котором затвор g полевого транзистора Q3 должен заряжаться несколько отрицательно, когда напряжение импульсного трансформатора T1 меняется на противоположное, а затем должен быть возвращен в 0, когда напряжение импульсного трансформатора падает до 0. В этой конфигурации диод CR2 используется в цепи. коллекторная цепь переключающего транзистора Q2P для изоляции цепи база-коллектор во время реверсирования напряжений.В этой конфигурации ток намагничивания импульсного трансформатора T1 используется вместо функции питания резистора R1 в обеспечении привода для переключающего транзистора Q2P.

Компоненты схемы будут выбраны с учетом характеристик полевого транзистора Q3 в сочетании с управляющими сигналами, которые подаются на базу переключающего транзистора Q1. Для характерного варианта осуществления с полевым транзистором Q3, имеющим емкость затвора в диапазоне от 1 до 4 нанофарад, значение конденсатора C1 должно быть выбрано примерно в 10 раз больше, чем емкость затвора, то есть в диапазоне от 10 до 40. нанофарады.Значение резистора R1 выбирается в диапазоне от 1000 до 10 000 Ом. Резистор R2 будет выбран в диапазоне от 10 000 до 100 000 Ом. Следует понимать, что это характеристические значения, которые не предназначены для ограничения объема изобретения.

РИС. 5 показаны характерные формы волны сигнала, подаваемого на вход управления, сигнала на первичной обмотке импульсного трансформатора, сигнала на вторичной обмотке импульсного трансформатора и сигнала, подаваемого на затвор полевого транзистора.В предпочтительном варианте осуществления управляющие импульсы возникают циклами, причем цикл c номинально имеет длительность 5 наносекунд. Импульс p имеет номинальную длительность 2 наносекунды. Таким образом, можно видеть, что возникновение управляющего импульса на базе переключающего транзистора Q1 приводит к тому, что сигнал на первичной обмотке импульсного трансформатора T1 возрастает с 0 вольт до 5 вольт, а затем меняется на минус 7 вольт, когда управляющий Импульс прекращен. Затем первичное напряжение возвращается к 0 вольт и стабилизируется для подачи следующего последовательного управляющего импульса.