1. Схемы ключей на полевых транзисторах

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ АНАЛОГОВЫХ КЛЮЧЕВЫХ СХЕМ

Цель работы: изучение свойств аналоговых ключей на полевых транзисторах

Работа выполняется в системе моделирования MicroCAP.

Схема ключа на полевом транзисторе с управляющим p – n переходом показана на рис. 7. Сопротивление R1 и диод D1 используются для управления ключом напряжением 15 В. Пусть входной сигнал изменяется в пределах  10 В, а управляющий дискретный сигнал 15 В. Если U_упр = +15 В, то диод VD закрыт. Так как входной ток полевого транзистора практически равен 0, то напряжение на затворе будет равно напряжению на истоке, т.е. U_зи = 0. Следовательно, транзистор будет открыт и U_вых = U_вх. Если U_упр = -15 В, то диод VD открыт, даже в худшем случае, когда входное напряжение равно минимальному значению – 10 В.

Напряжение на затворе транзистора около – 15 В, что на 5 В меньше минимального напряжения на истоке. Транзистор будет надежно закрыт. В этом режиме через резистор R₁ течет ток от источника входного сигнала. Это не мешает нормальной работе схемы, т.к. выходное напряжение ключа равно 0. Величина R₁ должна быть такой, чтобы при открытом транзисторе токи утечки затвора и обратный ток диода не создавали заметного запирающего напряжения транзистор на нем. Величина резистора R₁ может быть достаточно большой, например 1 МОм.

Аналоговые ключи могут быть построены и на МОП – транзисторах с индуцированным каналом. На рис.8. показаны схемы последовательного и параллельного ключа на МОП – транзисторах с индуцированным каналом. Так как МОП – транзисторы с индуцированным каналом надежно заперты при напряжении U_зи = 0, то схема управления ключом упрощается. Для управления ключом достаточно подавать дискретные значения равные U_упр = 15 В. Входное напряжение может быть повышено до 15 В.

Ч

тобы охватить возможно больший диапазон входных напряжений как в положительной, так и в отрицательной области, вместо одного МОП – транзистора используют КМОП – схему, состоящую из двух комплементарных МОП – транзисторов, включенных параллельно. Схема такого ключа показана на рис. 9.

В схеме ключа треугольником обозначен цифровой инвертор. Если на вход инвертора поступает + 15 В, то на выходе у него напряжение равно – 15 В, и на оборот. Для того, чтобы перевести ключ в состояние «включено», к затвору n – канального транзистора VТ₁ нужно приложить управляющее напряжение, равное, по меньшей мере, 2U

пор, а к затвору р – канального транзистора VT₂ – такое же напряжение противоположного знака. Таким образом, n – канальный транзистор VT₁ пропускает сигнал от – 15В до + (15 В – U_пор), а р – канальный транзистор VT₂ – от + 15 В до (-15 В +U_пор). При малых входных напряжениях оба транзистора открыты. Сопротивление транзистора зависит от величины входного напряжения, т.к. изменяется напряжение U_зи. Однако, в данной схеме это не существенно. Так если входное напряжение увеличится, то напряжение U_зи n – канального транзистора VT₁ уменьшится, а его сопротивление увеличится. Одновременно напряжение U _зи р – канального транзистора VT₂ увеличится, а его сопротивление уменьшится и компенсирует уменьшение сопротивление транзистора VT₁. При отрицательных входных напряжениях транзисторы VT₁ иVT₂ меняются местами.

Ключ закрывается при управляющем напряжении, равном – 15 В. Полевые транзисторы обладают емкостью между стоком и истоком. Поэтому ключи в закрытом состоянии обладают емкостной проводимостью. Это проявляется в том, что на выходе ключа в закрытом состоянии присутствует входной сигнал, хотя и не большой амплитуды. Наибольшей емкостью обладают МОП транзисторы. Одним из способов уменьшения емкостной проводимости является каскадирование ключей. Для последовательных ключей они включаются последовательно, а параллельные ключи — параллельно.

9.5 Транзисторные ключи на полевых транзисторах

Транзисторные ключи на полевых транзисторах строят аналогично ключам на биполярных транзисторах. На рис 9.15 приведена схема простейшего ключа на МДП-транзисторе с индуцированным каналом n-типа и временные диаграммы его работы. Емкость нагрузки С_Н моделирует емкость устройств подключенных к транзисторному ключу.

Рис. 9.15. Схема ключа на полевом транзисторе и временные диаграммы его работы

При нулевом входном сигнале транзистор VT заперт и при R_н>>R_c, U_cu=Е_с. При низкоомной нагрузке U_cи = ER_H/(R_c + R_H). Если напряжение U_ВХ больше порогового U_{ЗИ ПОР}, то он открывается, и напряжение сток-исток уменьшается. Напряжение на ключе в его включенном состоянии U_ВКЛ зависит от сопротивления стока R_C, величины входного сигнала и особенностей стоковых характеристик транзистора. В первом приближении

,

где ,

где К – удельная крутизна транзистора (типовое значение К60мкА/В²). Скорость изменения напряжения на выходе определяется сопротивлением R_C, емкостью С_H и частотными свойствами транзистора.

При использовании интегральной технологии технологически удобнее вместо нагрузочного сопротивления R_C использовать нагрузочный МДП-транзистор (динамическая нагрузка). Вариант такой схемы представлен на рис. 9.16.

Рис.9.16. Схема ключа с динамической нагрузкой

Транзисторы конструируют таким образом, чтобы удельная крутизна транзистора VT2 была намного меньше, чем удельная крутизна транзистора VT1. Это обеспечивает реализацию надежного ключевого режима. При U_ВХ< U_ЗИ.ПОР1 транзистор VT1 закрыт и через оба транзистора течет очень малый ток (не более 1нА). При этом напряжении U_CИ1, близко к напряжению E_C, а напряжение U_CИ2 близко к нулю, что обеспечивается технологическими параметрами транзисторов. При U

вх>U_{зи пор1.} Транзистор VT1 открыт и напряжение U_CИ1, близко к нулю, а напряжение U_CИ2 близко к Е_С.

Широкое распространение получили схемы ключей на комплиментарных МДП-транзисторах (КМОП ключ) схема которого приведена на рис. 9.17.

Рис.9.17. Схема комплиментарного МДП-ключа

В этой схеме использованы дополняющие друг друга (комплиментарные) транзисторы: VT1 – с каналом n-типа, и VT2 – с каналом p-типа. Пороговые напряжения обоих транзисторов U

зи пор1 и U_{зи пор2} положительные.

При U_вх=0, транзистор VT1 закрыт, а VT2 – открыт. В этом случае U_CИ1Е_С, а U_CИ2 0. Если U_вх>U_{зи пор1}, то транзистор VT1 открыт. Если же при этом обеспечить выполнение условия U_вх >Е_с–U_{зи пор2}, тогда транзистор VT2 будет закрыт. При этом U_CИ10, а U_CИ2 Е_С.

Если обеспечить выполнены условия Е_с<U_{зи пор1}+U_{зи пор2}, то при изменении входного сигнала оба транзистора одновременно не включаются.

Среди основных достоинств комплиментарного ключа можно отметить следующие:

• малое потребление электроэнергии, поскольку один из транзисторов всегда закрыт;

• высокая помехоустойчивость, поскольку разница между напряжением открытого и закрытого ключа велика и приближается к Е_С.

• повышенное быстродействие, поскольку заряд и разряд емкости С_Н осуществляется через открытые транзисторы, причем при увеличении напряжения питания ее быстродействие увеличивается;

• хорошая технологическая отработанность.

Ключ для управления мощной нагрузкой постоянного тока с помощью низкого напряжения

Этот силовой ключ позволяет управлять мощной нагрузкой постоянного тока при подаче на вход положительного низкого напряжения от 3 Вольт. Подавать на вход управляющий сигнал можно или с выхода ARDUINO или с выхода датчиков у которых на выходе появляется положительный сигнал высокого уровня с небольшим напряжением – 3.3 Вольта, например с инфракрасных датчиков движения “HC-SR505” или “HC-SR501”.

Ключ выполнен на мощном полевом транзисторе (MOSFET) GE88L02, также можно использовать IRLR8113 (datasheet  – «IRLR8113»,  «88l02»).

 

Принципиальная схема ключа, который управляется малым напряжением (3 В).

Если нет требования сработки ключа от 3 вольт, то можно использовать готовый силовой ключ управляемый от 5 вольт.

Подключение полевого транзистора к Arduino:

• “вход” – подключить к цифровому выходу Arduino
• “общий” (минус) – подключить к общему проводу Arduino (к “GND”)

Подключение нагрузки к силовому ключу:

• “питание + 12 В” – подключить к плюсовому выводу 12 вольтовой нагрузки (верхний вывод светодиода на схеме)
• “D” (Сток транзистора) – подключить к минусовой выводу 12 вольтовой нагрузки (нижний вывод светодиода на схеме)

В качестве нагрузки (на схеме показана в виде светодиода), которой управляет ключ, можно использовать светодиодные светильники (ленты), электродвигатели,  электрозамки и другие устройства на 12 Вольт постоянного тока.

Преимущества:

• ключ управляется низким напряжением (срабатывание от 3 Вольт)
• бесшумная работа
• нет механических частей

Транзисторный ключ с защитой по току

Опубликовал admin | Дата 19 августа, 2017

Ключи на полевых транзисторах широко используются для коммутации различных нагрузок, как маломощных с низким питающим напряжением, так и потребляющих десятки ампер от сети в сотни вольт. В связи с этим возникает необходимость защиты, как самого ключа, так и схемы его управления от аварийных ситуаций.

На сайте уже были статьи, посвященные транзисторным ключам, например, «Транзисторный ключ переменного тока». Этот ключ предназначен для коммутации активной нагрузки в цепи переменного тока. Он имеет оптическую развязку с управляющей схемой, и его схема содержит два КМОП транзистора. Еще одна статья, это «Транзисторный ключ с оптической разрядкой», ключ так же имеет оптическую развязку, собран на биполярных транзисторах и имеет защиту самого ключа от коротких замыканий в цепи нагрузки.

На рисунке 1 приведена схема ключа постоянного тока на КМОП транзисторе с гальванической развязкой и защитой от превышения тока нагрузки.

Гальваническая развязка между схемой управления и самим ключом осуществляется с помощью транзисторного оптрона U1. В качестве этого оптрона можно применить PC817, TLP521, РС120 и т.д.

В качестве переключающего транзистора используется полевой транзистор с n-каналом. Его тип зависит от нужного вам максимального тока и рабочего напряжения нагрузки. Подобрать необходимый транзистор можно из таблицы, размещенной в статье «Полевые транзисторы International Rectifier.»

Работа схемы ключа

В исходном состоянии, когда на входе оптрона отсутствует напряжение управления, светодиод не включен, транзистор оптрона закрыт. При таких условия ключевой транзистор VT3 будет открыт, так как на его затворе будет присутствовать положительное напряжение, поступающее с +Uпит через резистор R2. Стабилитрон VD1 необходим в тех случаях, если напряжение пинания Uпит более 20В. Двадцать вольт, это максимально допустимое напряжение затвор-исток большинства полевых транзисторов. Естественно, что если Uпит менее двадцати вольт, то этот стабилитрон из схемы можно исключить. Транзисторы VT1 и VT2, это не что иное, как аналог тиристора. Пока ток нагрузки находится в нужных пределах, эти транзисторы закрыты и не оказывают на работу ключа никакого значения. Как только ток, протекающий через ключевой транзистор VT3 и Rдт – датчик тока, будет возрастать, будет увеличиваться и падение напряжения на датчике тока Rдт. А это приведет к возникновению открывающего тока через переход база – эмиттер n-p-n транзистора VT1. Это приведет к возникновению тока коллектора этого транзистора, часть которого начнет протекать через переход база – эмиттер p-n-p транзистора VT2. Значит, начнет открываться и транзистор VT2. Большая часть тока коллектора этого транзистора начнет протекать через переход база-эмиттер, уже открывающегося транзистора VT1. Таким образом, возникает лавинообразный процесс открывания обоих транзисторов, обеспечивающий быстрое закрывание ключевого транзистора, путем шунтирования его затвора с истоком. В таком состояния схема может находиться сколько угодно долго. Вывести ее в рабочее состояние можно выключением напряжения питания или замыканием на короткое время эмиттеров транзисторов VT1 и VT2, при условии, что была устранена причина возникновения аварии. Так обеспечивается защита ключевого транзистора. Величину тока срабатывания защиты устанавливают с помощью резистора Rдт. Чем меньше величина этого резистора, чем выше значение тока срабатывания защиты.

Номинал этого резистора можно приблизительно рассчитать по формуле:
Rдт = 0,65/Iз ; где Iз – величина тока защиты. 0,65 – это приблизительно пороговое напряжение открывания биполярных кремниевых транзисторов.

Например, при токе защиты 6,5А, величина резистора датчика тока будет примерно равна 0,65/6,5 = 0,1 Ом. Здесь не учитывается падение напряжения на резисторе R4.

Скачать статью

Скачать “moshhnyj-klyuch-postoyannogo-toka-na-polevom-tranzistore” moshhnyj-klyuch-postoyannogo-toka-na-polevom-tranzistore.rar – Загружено 527 раз – 26 KB

Обсудить эту статью на — форуме «Радиоэлектроника, вопросы и ответы».

Просмотров:1 528

Ключи на полевых транзисторах

В цифровых интегральных схемах в качестве ключевых элементов чаще всего используются МДП-транзисторы с индуцированным каналом. Простейшая схема ключа на n-канальном МДП-транзисторе с индуцированным каналом представлена на рис. 3. 14а.

При подаче на вход ключа высокого уровня напряжения ( — пороговое напряжение, при котором открывается транзистор) транзистор открывается и напряжение на выходе ключа определяется положением рабочей точки В на нагрузочной прямой (рис. 3.14б). Для нормальной работы транзистора в ключевом режиме остаточное напряжение должно быть минимальным . В этом случае ток через нагрузку не зависит от параметров транзистора: . (3.11)

Остаточное напряжение на открытом транзисторе зависит от сопротивления и входного напряжения . При увеличении и напряжение уменьшается. Однако с увеличением ухудшается быстродействие ключа, которое в основном зависит от времени заряда суммарной эквивалентной выходной емкости через резистор при запирании транзистора.

При запирании транзистора низким уровнем напряжения выходное напряжение возрастает от до максимального значения (рис. 3.14б) по экспоненциальному закону с постоянной времени . Тогда длительность положительного фронта импульса .

Если учесть выражение (3.11), то

. (3.12)

Отпирание ключа и формирование спада напряжения на выходе протекает несколько сложнее. После подачи открывающего сигнала ток транзистора скачком увеличивается до величины

, (3.13)

где b — удельная крутизна.

Этим током начинает разряжаться емкость . По мере разряда емкости напряжение на стоке уменьшается. До тех пор, пока оно остается больше , транзистор работает на пологом участке выходной характеристики и ток стока сохраняет значение .Если пренебречь током через нагрузочный резистор (справедливо при ) и считать ток разряда постоянным, то .

Нужно было бы учесть и нелинейный характер зависимости тока при напряжении на стоке меньшем . Поэтому длительность фронта

, (3.14)

где определяется выражением (3.13).

Из выражений (3.12), (3.14) и рис. 3.14 видно, что при . Увеличение сопротивления приводит не только к ухудшению быстродействия ключа. Высокоомный резистор трудно реализовать в интегральном исполнении и он, как правило, занимает больше места на подложке, чем МДП-транзистор. Поэтому при разработке ключевых ИМС на МДП-транзисторах применяют схемы ключей, в которых вместо резистора в качестве нагрузки используют МДП — транзисторы.

Схема ключа с динамической нагрузкой, выполненного на однотипных транзисторах МДП-типа с индуцированным каналом, показана на рис. 3.15 . Роль динамической нагрузки выполняет транзистор T2, у которого затвор соединен со стоком и который, тем самым является двухполюсником — резистором.

Вольтамперную характеристику (ВАХ) транзистора T2 можно получить из следующих соображений. Поскольку при соединении затвора со стоком получается то, очевидно, справедливо неравенство . Это неравенство означает, что транзистор T2 работает на пологом участке выходной характеристики, для которого справедлива формула . Подставляя в нее , запишем ВАХ транзистора T2, в виде

. (3.15)

Как видим, эта ВАХ – параболическая, т.е. нелинейная.

В запертом состоянии ключа, когда на затвор активного транзистора T1 подано напряжение , остаточный ток транзистора T2 близок к 0, а максимальное выходное напряжение (см. точку А на рис. 3.15б).

В открытом состоянии ключа, когда на затвор активного транзистора T1 подано напряжение рабочая точка В находится на крутом участке выходной характеристики активного транзистора T1. Остаточное напряжение на выходе мало. Тогда ток насыщения ключа можно определить из формулы (3.15), если принять ,

.

Сопротивление канала открытого транзистора T1 на крутом участке . Учитывая это, можно остаточное напряжение найти в виде:

.

Поскольку на практике выполняется условие , нетрудно сделать важный вывод: для обеспечения малого остаточного напряжения должно выполняться условие , т.е. транзисторы должны быть существенно различными. Однако при практически достижимом отношении может быть в пределах .

Ключ с динамической нагрузкой (рис. 3.15) имеет низкое быстродействие, т.к. определяется зарядом емкости через нелинейное сопротивление транзистора T2 переменному току, которое при работе на пологом участке характеристики достигает сотен кОм. Формирование происходит почти также как и в схеме (рис. 3.14).

Широкое распространение получили ключи на комплементарных МДП-транзисторах с индуцированным каналом (рис. 3.16). Транзистор T1 имеет канал n-типа, а транзистор T2 — p-типа. Входной сигнал поступает на объединенные затворы, а выходной снимается с объединенных стоков. Подложки обоих транзисторов соединены с истоками, что исключает отпирание p-n- переходов, изолирующих каналы транзисторов от их подложек. На рис. 3.17а приведена передаточная характеристика ключа . С помощью рис. 3.17б можно пояснить графический метод ее построения. На нем сплошными линиями изображены ВАХ n-канального транзистора T1, а штриховыми – p-канального транзистора T2 при одинаковых значениях входного напряжения.

Пусть в исходном состоянии напряжение на входе ключа , тогда , а . Значит, транзистор T1 заперт, а транзистор T2 открыт (считаем, что для обоих транзисторов). Ток в общей цепи определяется запертым транзистором T1 и составляет величину . (Обычно ). Открытый транзистор T2 работает в области крутых участков ВАХ (область 1 на рис. 3.15), где сопротивление канала описывается выражением . Напряжение на открытом транзисторе T2, полагая , равно

. (3.16)

Если принять , то . Значит выходное напряжение .

Пусть теперь управляющее напряжение на входе ключа равно . Тогда , а и транзистор T1 открыт, а транзистор T2 заперт (см. область 2 на рис. 3.17). При этом ток через транзисторы остается на уровне . Напряжение на выходе ключа

.

При управляющем напряжении на входе ключа, изменяющемся в диапазоне , открыты оба транзистора, и выходное напряжение изменяется скачкообразно в пределах области 2 на рис. 3.17. Тогда через транзисторы будет протекать общий ток, который называют сквозным. Зависимость сквозного тока от входного напряжения изображена на рис. 3.17,а штриховой линией.

Оптимальная форма передаточной характеристики достигается при одинаковых параметрах транзисторов T1 и T2 . Тогда напряжение, при котором происходит переключение, . Помехоустойчивость максимальна и близка к . К тому же, передаточная характеристика практически не зависит от температуры и, следовательно, высокая помехоустойчивость сохраняется в широком интервале температур.

Таким образом, важнейшей особенностью ключей на комплементарных транзисторах является то, что они практически не потребляют мощности от источника питания в обоих статических состояниях, и имеют малые остаточные напряжения на открытых транзисторах, высокую помехоустойчивость.

Важным параметром КМДП — ключа является потребляемая мощность, которая складывается из статической и динамической. Статическая мощность равна . Поскольку ток очень мал, то и статическая мощность, потребляемая ключом ничтожна. Динамическая мощность определяется двумя составляющими. Первая обусловлена сквозными импульсами тока через транзисторы при переключении. При этом в цепи питания протекают импульсы тока, которые могут достигать заметных величин, особенно при повышенных напряжениях питания. Поскольку в дискретных устройствах крутизна фронтов импульсов велика, рассеивание мощности на транзисторах происходит в течение очень короткого промежутка времени и среднее значение этой составляющей обычно мало. Вторая составляющая динамической мощности связана с периодическим перезарядом паразитных емкостей (внутренних, монтажа и нагрузки). Эта составляющая в основном и определяет мощность, потребляемую КМДП — ключом при работе на высоких частотах. Как известно, энергия заряда (разряда) конденсатора равна и не зависит от сопротивления, по которому протекает ток. В КМДП — ключе через источник питания протекает только ток заряда емкости. Следовательно, динамическая мощность, расходуемая на заряд паразитных емкостей, равна , где — частота переключения.

В КМДП — ключе переходные процессы характеризуются тем, что заряд и разряд емкости происходит примерно в одинаковых условиях. Это объясняется симметрией схемы по отношению к управляющим сигналам. Заряд емкости происходит через открытый транзистор T2 при запертом транзисторе T1, а разряд – через транзистор T1 при запертом T2. В обоих случаях транзистор, открывшийся после переключения, сначала работает в режиме насыщения со сравнительно большим током , а затем по мере заряда или разряда емкости , напряжение на стоке падает ниже и ток начинает уменьшаться. Следовательно, механизм обоих процессов (заряда или разряда) тот же, что был рассмотрен при анализе разряда в ключе с резисторной нагрузкой (рис. 3.14). Если считать параметры транзисторов T1 и T2 одинаковыми, то длительности фронтов определяются выражением, аналогичным (3.14) :

(3.17)

Из выражения (3.17) видно, что быстродействие КМДП — ключа увеличивается с ростом напряжения питания. Быстродействие комплементарного ключа почти на порядок выше, чем у ранее рассмотренных схем.

Описанные достоинства, а также отработанность технологии изготовления явились причиной широкого использования КМДП — ключей (на таких ключах базируются широко распространенные серии КМДП — логики, как 561, 564, 1561, 1564 и др.).

Логические элементы