Ключи на полевых транзисторах: виды, устройство, схемы, описание работы

Содержание

Электромагнитное реле

Реле – это электромагнит, которым производится управление группой контактов. Можно провести аналогию с обычным кнопочным выключателем. Только в случае с реле усилие берется не от руки, а от магнитного поля, которое находится вокруг катушки возбуждения. Контактами можно коммутировать очень большую нагрузку – все зависит от типа электромагнитного реле. Очень большое распространение эти устройства получили в автомобильной технике – с их помощью производится включение всех мощных потребителей электроэнергии.

Это позволяет разделить все электрооборудование автомобиля на силовую часть и управляющую. Ток потребления у обмотки возбуждения реле очень маленький. А силовые контакты имеют напыление из драгоценных или полудрагоценных металлов, что исключает вероятность появления дуги. Схемы транзисторных ключей на 12 вольт можно применять вместо реле. При этом улучшается функциональность устройства – включение бесшумное, контакты не щелкают.

Откуда пошло название “МОП”

Если “разрезать” МОП-транзистор, то можно увидеть вот такую картину.

С точки зрения еды на вашем столе, МОП-транзистор будет больше похож на бутерброд. Полупроводник P-типа – толстый кусок хлеба, диэлектрик – тонкий слой колбасы, слой металла – тонкая пластинку сыра. В результате у нас получается вот такой бутерброд.

А как будет строение транзистора сверху-вниз? Сыр – металлическая пластинка, колбаса – диэлектрик, хлеб – полупроводник. Следовательно, получаем Металл-Диэлектрик-Полупроводник. А если взять первые буквы с каждого названия, то получается МДП – Металл-Диэлектрик-Полупроводник, не так ли? Значит, такой транзистор можно назвать по первым буквам МДП-транзистором. А так как в качестве диэлектрика используется очень тонкий слой оксида кремния (SiO2), можно сказать почти стекло, то и вместо названия “диэлектрик” взяли название “оксид, окисел”, и получилось Металл-Окисел-Полупроводник, сокращенно МОП. Ну вот, теперь все встало на свои места).

Далее по тексту МОП-транзистор условимся называть просто полевой транзистор. Так будет проще.

Пример работы транзистора в режиме ключа

Коэффициент усиления – это одна из основных характеристик транзистора. Именно этот параметр показывает, во сколько раз ток, протекающий по каналу «эмиттер — коллектор», выше базового. Допустим, коэффициент равен 100 (обозначается этот параметр h21Э). Значит, если в цепь управления подается ток 1 мА (ток базы), то на переходе «коллектор — эмиттер» он будет 100 мА. Следовательно, произошло усиление входящего тока (сигнала).

При работе транзистор нагревается, поэтому он нуждается в пассивном или активном охлаждении – радиаторах и кулерах. Но нагрев происходит только в том случае, когда проход «коллектор — эмиттер» открывается не полностью. В этом случае большая мощность рассеивается – ее нужно куда-то девать, приходится «жертвовать» КПД и выпускать ее в виде тепла. Нагрев будет минимальным только в тех случаях, когда транзистор закрыт или открыт полностью.

Устройство и принцип работы динистора

Структура, УГО и ВАХ динистора приведены на рисунке:

Внешняя p-область называется анодом (А), внешняя n-область называется катодом (К). Три p-n перехода обозначены цифрами 1, 2, 3. Структура динистора 4-х-слойная – p-n-p-n.

Питающие напряжение Е подаётся на динистор таким образом, что 1 из 3 переходы открыты и их сопротивления незначительны, а переход 2 закрыт и все питающие напряжение Uпр приложено к нему. Через динистор протекает небольшой обратный ток, нагрузка R отключена от источника тока питания Е.

При достижении критического напряжения, равному напряжению включения Uвкл переход 2 открывается, при этом все три перехода 1, 2, 3 будут находится в открытом (включенном) состоянии. Сопротивления динистора падает до десятых долей Ома.

Напряжение включения составляет величину нескольких сотен вольт. Динистор открывается, и через него протекают значительные по величине токи. Падение напряжения на динисторе в открытом состояние составляет 1-2 вольта и мало зависит от величины протекающего тока, величина которого равна τa ≈ E / R, а UR ≈ E, т.е. нагрузка подключена к источнику питания Е. Напряжение на динисторе, соответствующее предельно допустимую точку Iоткр.max, называется напряжением открытого состояния Uокр. Предельный допустимый ток составляет величины от сотен мА до сотен А. Динистор находится в открытом состоянии, пока протекающий через него ток не станет меньше тока удержания Iуд. Динистор закрывается при уменьшении внешнего напряжения до величины порядка 1В или при перемене полярности внешнего источника. Поэтому такой прибор используется в цепях переходного тока. Точки В и Г соответствуют граничным значениям токов и напряжений динистора. Время восстановления сопротивления перехода 2 после снятия питающего напряжения составляет порядка 10-30 мкс.

Динисторы по своему принципу – приборы ключевого действия. Во включенном состоянии (участок БВ) он подобен замкнутому ключу, а в выключенном (участок ОГ) — разомкнутому ключу.

Составные транзисторы

Для увеличения значения h21 соединяют биполярные транзисторы по схеме Дарлингтона:

В составном транзисторе, имеющем характеристики, как одного, база VT1 соединена с эмиттером VT2 и ΔIэ2 = ΔIб1. Коллекторы обоих транзисторов соединены и этот вывод является выводом составного транзистора. База VT2 играет роль базы составного транзистора ΔIб = ΔIб2, а эмиттер VT1 – роль эмиттера составного транзистора ΔIэ = ΔI1.

Получим выражение для коэффициента усиления по току β для схемы Дарлингтона. Выразим связь между изменением тока базы dIб и вызванным вследствие этого изменением тока коллектора dIк составного транзистора следующим образом:

Поскольку для биполярных транзисторов коэффициент усиления по току обычно составляет несколько десятков (β1, β2 >> 1), то суммарный коэффициент усиления составного транзистора будет определяться произведением коэффициентов усиления каждого из транзисторов βΣ = β1 · β2 и может быть достаточно большим по величине.

Отметим особенности режима работы таких транзисторов. Поскольку эмиттерный ток VT2 Iэ2 является базовым током VT1 dIб1, то, следовательно, транзистор VT2 должен работать в микромощном режиме, а транзистор VT1 – в режиме большой инжекции, их эмиттерные токи отличаются на 1-2 порядка. При таком неоптимальном выборе рабочих характеристик биполярных транзисторов VT1 и VT2 не удается в каждом из них достичь высоких значений усиления по току. Тем не менее даже при значениях коэффициентов усиления β1, β2 ≈ 30 суммарный коэффициент усиления βΣ составит βΣ ≈ 1000.

Высокие значения коэффициента усиления в составных транзисторах реализуются только в статистическом режиме, поэтому составные транзисторы нашли широкое применение во входных каскадах операционных усилителей. В схемах на высоких частотах составные транзисторы уже не имеют таких преимуществ, наоборот, и граничная частота усиления по току, и быстродействие составных транзисторов меньше, чем эти же параметры для каждого из транзисторов VT1, VT2 в отдельности.

Расчёт ключевой схемы

Как же рассчитать элементы «обвязки» транзистора? Во-первых, необходимо, как и в случае любой другой схемы понять, что необходимо получить и что приходит на вход.

1. Рассчитывают ток протекающий через коллектор:

, где

U_pit – напряжение питания,

R_К – сопротивление в коллекторной цепи.

2. Рассчитывают базовый ток:

3. Рассчитывают сопротивление базового резистора R_б:

U_вх – напряжение на входе ключевого каскада.

Казалось бы, на этом можно закончить рассматривать ключевой каскад, он настолько простой, что и говорить не о чем. Но есть ещё одно дополнение, как было сказано выше, ключевой каскад характеризуется использованием транзистора в двух состояниях: насыщения и отсечки. С состоянием насыщения всё понятно транзистор жестко включён в цепь и на него внешние факторы не влияют. Что же происходит в состоянии отсечки транзистора, когда его база отключена от схемы, говорят, что она «повисла в воздухе». Так как мы окружены постоянно электричеством, то на базовый вывод могут быть наводки в виде блуждающих токов, да и в транзисторе в результате его работы могут быть внутренние токи. В таком случае транзистор не будет закрыт полностью, поэтому на всякий случай между базой и эммитером транзистора включают сопротивление R_БЭ, которое выбирается таким, чтобы при работе падение напряжения на нём не составило меньше, чем 0,6 В. Он берётся примерно раз в 10 больше базового сопротивления.

Ниже приведён пример, который часто используют при подключении ключевого каскада к выводу микросхем, где стандартное выходно напряжение составляет +5 В.

Пример использования транзистора в ключевом режиме

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Насыщение ключа

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

Абзац немного юмористический, но вполне реальный. В некоторых поломках производятся особые запахи сожженного лака или позолоченного пресс-панна. В общем, ходить нос над устройством, чей трансформатор «сожжен», двигатель, который взорвал его стартовый конденсатор и который, возможно, сам поджарился цепной реакцией, не обманывает.

Есть, однако, «более тонкие запахи», которые в последние годы были гораздо более понюханы и которые были забыты с достижениями в технике. Это обычно не является хорошим признаком, потому что это часто смерть устройства. Запах относится главным образом к трансформаторам, которые жарят и чьи провода становятся красивыми темно-коричневыми, а не «светло-золотистой медной блондинкой». В общем, этот вид барбекю прекращается из-за отсутствия бойцов, а провода достаточно тонкие, чтобы таять, как плавкие предохранители, не взрывая «гранулы» дома.

Симисторный ключ

Для гальванической развязки цепей управления и питания лучше
использовать оптопару или специальный симисторный драйвер. Например,
MOC3023M или MOC3052.

Эти оптопары состоят из инфракрасного светодиода и фотосимистора. Этот
фотосимистор можно использовать для управления мощным симисторным
ключом.

В MOC3052 падение напряжения на светодиоде равно 3 В, а ток — 60 мА,
поэтому при подключении к микроконтроллеру, возможно, придётся
использовать дополнительный транзисторный ключ.

Встроенный симистор же рассчитан на напряжение до 600 В и ток до
1 А. Этого достаточно для управления мощными бытовыми приборами через
второй силовой симистор.

Рассмотрим схему управления резистивной нагрузкой (например, лампой
накаливания).

Таким образом, эта оптопара выступает в роли драйвера
симистора.

Существуют и драйверы с детектором нуля — например, MOC3061. Они
переключаются только в начале периода, что снижает помехи в
электросети.

Резисторы R1 и R2 рассчитываются как обычно. Сопротивление же
резистора R3 определяется исходя из пикового напряжения в сети питания
и отпирающего тока силового симистора. Если взять слишком большое —
симистор не откроется, слишком маленькое — ток будет течь
напрасно. Резистор может потребоваться мощный.

Нелишним будет напомнить, что 230 В в электросети (текущий стандарт для
России, Украины и многих других стран) — это значение
действующего напряжения. Пиковое напряжение равно .

Пиковая мощность, рассеиваемая при открытии

Формулы для расчета пиковых мощностей приблизительные. Переходные процессы, протекающие при переключении, имеют сложную физическую природу. Их точное математическое моделирование затруднено. Но для наших инженерных целей приведенные формулы дают результат необходимой точности.

Эта мощность зависит от типа нагрузки.

Нагрузка имеет емкостную природу, стремится поддерживать фиксированное напряжение на себе, а значит, и на транзисторе, так как напряжение на транзисторе равно напряжению питания минус напряжение на нагрузке.

[Пиковая мощность открытия] = [Напряжение питания] * [коммутируемый ток] / 2

Нагрузка имеет индуктивную природу, стремится поддерживать фиксированный ток через себя, а значит, и через транзистор.

[Пиковая мощность открытия] =

Нагрузка имеет резисторную природу. Ток через нагрузку и через транзистор пропорционален напряжению на нагрузке.

[Пиковая мощность открытия] = [Напряжение питания] * [коммутируемый ток] / 6

Интеллектуальные силовые ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Семейства AUIR331x, AUIR332x, AUIPS71xx (таблица 4) являются более совершенными по сравнению с вышеописанными ключами. Они обладают самой продвинутой системой диагностики. Аналоговый выход позволяет определять не только аварийные ситуации, но и величину протекающего тока (рисунок 9). Это может быть полезно, если необходимо контролировать броски тока, когда коммутируется, к примеру, лампа освещения или емкостная нагрузка. В этом случае управляющая система сама определяет, необходимо ли защитное отключение.

Таблица 4. Интеллектуальные ключи верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Наименование	Число каналов	Rси вкл., мОм	U вых. макс, B	Защита по току	Корпус	Применение	Особенности
Тип защиты	I выкл., А
AUIR3313	1	7	40	Подстраиваемое защитное отключение	10…90	TO220-5 D2PAK-5	Автомобильные системы подогрева стекол, кресел	Подстройка величины защитного тока
AUIR3314	1	12	40	Подстраиваемое защитное отключение	6…60	TO220-5 D2PAK-5	Защита от перегрева
AUIR3315	1	20	40	Подстраиваемое защитное отключение	3…30	TO220-5 D2PAK-5	Диагностический аналоговый выход
AUIR3316	1	7	40	Подстраиваемое защитное отключение	10…90	TO220-5 D2PAK-5	Свечи накаливания	Защита от обратной полярности напряжения питания
AUIR3317	1	7	40	Защитное отключение	120	TO220-5 D2PAK-5	Защитная функция WAIT
AUIR3320	1	4	40	Подстраиваемое защитное отключение	10…55	D2PAK-5	Замена силовых реле	Функция активного ограничения тока
AUIPS7125	1	30	65	Защитное отключение	60	DPAK-5	Диагностический аналоговый выход

Рис. 9. Диагностика состояния ключа

Ключи имеют рекордно низкие значения сопротивлений открытого ключа (всего 4 мОм у AUIR3320, 7,5 мОм у AUIPS7111). Управляющее напряжение измеряется относительно напряжения питания, что делает возможным использовать внешний транзистор, обеспечивающий дополнительную защиту управляющих схем (рисунок 10).

Степень защиты данных ключей максимально высока. Ключи имеют защиту от перегрузки по току, от перегрева, неправильной полярности питающего напряжения. Реализована функция активного ограничения тока.

Защита от обратной полярности батареи требует наличия обратного диода на входе. Если используется полевой транзистор, то будет достаточно встроенного диода. Если используется биполярный транзистор — нужен внешний диод (рисунок 10).

Рис. 10. Схема включения IPS верхнего уровня с аналоговым диагностическим выходом

Ключи AUIR331x (кроме AUIR3317) и AUIR3320 имеют программируемое значение тока защитного отключения. Величина этого тока определяется резистором обратной связи Rос (рисунок 11). Кроме того, для дополнительной гарантированной защиты от перегрева реализована защитная функция WAIT (рисунок 4б). Минусом реализации функции WAIT является ограничение использования данных ключей в ШИМ-режиме.

Рис. 11. Установка тока защитного отключения

Ключи AUIR71xx ограниченно могут применяться для ШИМ-приложений, так как не имеют функции WAIT и имеют малое собственное сопротивление. Однако стоит остерегаться использования слишком высоких значений частот, чтобы не перегреть кристалл (рисунок 4а).

IPS данного семейства, обладая низким значением сопротивления, идеально подходят для реализации внутреннего и внешнего автомобильного освещения, систем подогрева зеркал и сидений, питания активной подвески, питания электромагнитных клапанов системы впрыска топлива. Эти ключи представляют идеальную замену для реле в цепях с большими протекающими токами.

Электронные ключи

Для повышения коэффициента полезного действия устройств силовой электроники широко используется импульсный режим работы диодов, транзисторов и тиристоров. Импульсный режим характерен резкими изменениями токов и напряжений. В импульсном режиме диоды, транзисторы и тиристоры используются как ключи.

При помощи электронных ключей выполняется коммутация электронных схем: подключение/отключение схемы к/от источникам(-ов) электрической энергии или сигнала, подключение или отключение элементов схем, изменение параметров элементов схем, изменение вида воздействующего источника сигнала.

УГО идеальных ключей показаны на рисунке:

Ключи, работающие на замыкание и размыкание соответственно.

Ключевой режим характеризуется двумя состояниями: «включено»/»выключено».

Идеальные ключи характеризуются мгновенным изменением сопротивления, которое может принимать значение 0 или ∞. Падение напряжения на идеальном замкнутом ключе равно 0. При разомкнутом ключе ток равен 0.

В реальных ключах токи и падения напряжения, соответствующие состояниям «включено»/»выключено», зависят от типа и параметров применяемых диодов, транзисторов, тиристоров и переход из одного состояния в другое происходит не мгновенно, а в течение времени, обусловленного инерционностью активного элемента и наличием паразитных емкостей и индуктивностей коммутируемой цепи.

Реальные ключи также характеризуются двумя крайними значениями сопротивления Rmax и Rmin. Переход от одного значения сопротивления к другому в реальных ключах происходит за конечное время. Падение напряжения на реальном замкнутом ключе не равно нулю.

Ключи подразделяются на ключи, используемые в маломощных схемах, и ключи, используемые в силовых схемах. Каждый из этих классов имеет свои характеристики.

Сопротивлениями ключа в открытом и закрытом состояниях;
Быстродействием – временем перехода ключа из одного состояния в другое;
Падением напряжения на замкнутом ключе и током утечки разомкнутого ключа;
Помехоустойчивостью – способностью ключа оставаться в одном из состояний при воздействии помех;
Чувствительностью ключа – величиной управляющего сигнала, переводящего ключ из одного состояния в другое;
Пороговым напряжением – значением управляющего напряжения, в окрестности которого происходит резкое изменение сопротивления электронного ключа.

Транзистор Дарлингтона

Если нагрузка очень мощная, то ток через неё может достигать
нескольких ампер. Для мощных транзисторов коэффициент может
быть недостаточным. (Тем более, как видно из таблицы, для мощных
транзисторов он и так невелик.)

В этом случае можно применять каскад из двух транзисторов. Первый
транзистор управляет током, который открывает второй транзистор. Такая
схема включения называется схемой Дарлингтона.

В этой схеме коэффициенты двух транзисторов умножаются, что
позволяет получить очень большой коэффициент передачи тока.

Для повышения скорости выключения транзисторов можно у каждого соединить
эмиттер и базу резистором.

Сопротивления должны быть достаточно большими, чтобы не влиять на ток
база — эмиттер. Типичные значения — 5…10 кОм для напряжений 5…12 В.

Выпускаются транзисторы Дарлингтона в виде отдельного прибора. Примеры
таких транзисторов приведены в таблице.

Модель
КТ829В	750	8 А	60 В
BDX54C	750	8 А	100 В

В остальном работа ключа остаётся такой же.

Параметры и максимальные эксплуатационные условия транзистора

Термопара для газового котла: виды, особенности и принцип работы

Проверим теперь напоследок, подойдет ли нам выбранный транзистор.

Максимальное напряжение коллектор — эмиттер

должно быть выше коммутируемого напряжения, а для случая коммутирования индуктивной нагрузки, выше коммутируемого напряжения с учетом бросков напряжения при выбранной схеме демпфирования.

Максимальный ток базы

должен быть выше, чем наш расчетный управляющий ток.

Максимальный ток коллектора

должен быть выше, чем коммутируемый ток.

Допустимая пиковая рассеиваемая мощность

должна быть выше, чем пиковая рассеиваемая мощность в момент коммутации. Дело в том, что даже при условии невысокой средней рассеиваемой мощности, большая тепловая энергия, выделяющаяся за очень короткое время при переключении, может погубить биполярный транзистор.

Допустимая средняя рассеиваемая мощность

должна быть выше, чем суммарная средняя мощность, рассеиваемая ключом.

Частота

, рекомендованная для транзистора, должна быть выше, частота переключений в схеме.

Система охлаждения транзистора (радиатор или другая система отвода тепла) должны быть в состоянии рассеять выделяемую мощность.

Для использования в качестве ключей лучше подбирать транзисторы с минимальными напряжением насыщения коллектор — эмиттер, база — эмиттер, это снизит потери мощности в открытом состоянии, минимальными временами включения и выключения (рассасывания), это снизит потери мощности при переключении, максимальным коэффициентом передачи тока, это снизит потери на управление.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

Не могу согласится с утверждением, что (напряжение большое — ключ открыт), как раз — ключ должен быть закрыт т.е. у источника тока, когда цепь разорвана — напряжение максимально. Если смотреть характеристику транзистора — его наклонную прямую — видно, напряжение (кэ) макс. ток ( к). минимален и наоборот напряжение (кэ) минимально — ток — максимален. Правильно ли понимаю? Читать ответ…

Еще статьи

Биполярный транзистор. Принцип работы. Применение. Типы, виды, категор… Все о биполярном транзисторе. Принцип работы. Применение в схемах. Свойства. Кла…

Мощный полевой транзистор irfp2907. МОП, MOSFET. Свойства, параметры, … Применение и параметры IRFP2907, мощного полевого транзистора, рассчитанного на …

Схемотехника — тиристорные, динисторные, симисторные, тринисторные схе… Схемотехника тиристорных устройств. Практические примеры. …

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко… Как сконструировать пуш-пульный импульсный преобразователь. В каких ситуациях пр…

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус… Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за…

Преобразователь однофазного в трехфазное. Конвертер одной фазы в три. … Схема преобразователя однофазного напряжения в трехфазное….

Схема защиты от ошибки подключения минуса и плюса (переполюсовки)…. Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст…

Источник высокого напряжения для озонатора, ионизатора, экспериментов…. Как изготовить преобразователь с высоким выходным напряжением для формирования и…

Полевые транзисторы с изолированным затвором (МДП-транзисторы)

Термин «МДП-транзистор» используется для обозначения полевых транзисторов, в которых управляющий электрод – затвор – отделен от активной области полевого транзистора диэлектрической прослойкой – изолятором. Основным элементом для этих транзисторов является структура металл-диэлектрик-полупроводник (М-Д-П).

Технология МДП-транзистора с встроенным затвором приведена на рисунке:

Исходный полупроводник, на котором изготовлен МДП-транзистор, называется подложкой (вывод П). Две сильнолегированные области n+ называется истоком (И) и стоком (С). Область подложки под затвором (З) называется встроенным каналом (n-канал).

Физической основой работы полевого транзистора со структурой металл-диэлектрик-полупроводник является эффект поля. Эффект поля состоит в том, что под действием внешнего электрического поля изменяется концентрация свободных носителей заряда в приповерхностной области полупроводника. В полевых приборах со структурой МДП внешнее поле обусловлено приложенным напряжением на металлический электрод-затвор. В зависимости от знака и величины приложенного напряжения могут быть два состояния области пространственного заряда (ОПЗ) в канале – обогащение, обеднение.

Режиму обеднения соответствует отрицательное напряжение Uзи, при котором концентрация электронов в канале уменьшается, что приводит к уменьшению тока стока. Режиму обогащения соответствует положительное напряжение Uзи и увеличение тока стока.

ВАХ представлена на рисунке:

Топология МДП-транзистора с индуцированным (наведенным) каналом р-типа приведена на рисунке:

При Uзи = 0 канал отсутствует и Ic = 0. Транзистор может работать только в режиме обогащения Uзи < 0. Если отрицательное напряжение Uзи превысит пороговое Uзи.пор, то происходит формирование инверсионного канала. Изменяя величину напряжения на затворе Uзи в области выше порогового Uзи.пор, можно менять концентрацию свободных носителей в инверсионном канале и сопротивление канала. Источник напряжения в стоковой цепи Uси вызовет ток стока Iс.

ВАХ представлена на рисунке:

В МДП-транзисторах затвор отделен от полупроводника слоем окисла SiO2. Поэтому входное сопротивление таких транзисторов порядка 1013…1015 Ом.

К основным параметрам полевых транзисторов относятся:

Крутизна характеристики при Uсп = const, Uпи = const. Типичные значения параметра (0,1…500) мА/В;
Крутизна характеристики по подложке при Uсп = const, Uзи = const. Типичные значения параметра (0.1…1) мА/В;
Начальный ток стока Iс.нач. – ток стока при нулевом значении напряжения Uзи. Типичные значения параметра: (0,2…600) мА – для транзисторов с управляющим каналом p-n переходом; (0,1…100) мА – для транзисторов со встроенным каналом; (0,01…0,5) мкА – для транзисторов с индуцированным каналом;
Напряжение отсечки Uзи.отс.. Типичные значения (0,2…10) В; пороговое напряжение Uп. Типичные значения (1…6) В;
Сопротивление сток-исток в открытом состоянии. Типичные значения (2..300) Ом
Дифференциальное сопротивление (внутреннее): при Uзи = const;
Статистический коэффициент усиления: μ = S · ri

Расчёт транзисторного ключа

Рейтинг: 5 / 5

Подробности: Категория: Практические советы; Опубликовано: 27.11.2019 13:45; Просмотров: 2513

Для транзисторного ключа не нужно рассчитывать точное значение коэффициента усиления. При слишком большом коэффициенте усиления транзистор переходит в режим ограничения тока и выходной ток будет определяться сопротивлением нагрузки. Поэтому достаточно определить только минимальный коэффициент усиления по току. Рассчитаем этот коэффициент. Пусть для индикаторной лампы требуется ток 120 мА, а цифровая микросхема может выдать ток единицы около 4 мА (этот ток определяется по справочнику или datasheet на выбранную микросхему). Тогда минимальный коэффициент усиления h21э можно определить по формуле:

h21э=Iк/Iб Iк — ток колектора Iб — ток базы В нашем случае ток коллектора равен току, протекающему через лампу, а ток базы — это максимальный допустимый выходной ток цифровой микросхемы (Iвых1). Делим 120 мА на 4 мА. Получаем минимальный коэффициент усиления по току, равный 30. То есть в данном случае подойдёт практически любой маломощный транзистор, например КТ3107

Теперь следует обратить внимание на то, что транзистор управляется током, а цифровая микросхема является генератором напряжения. В простейшем случае для преобразования напряжения в ток можно использовать резистор

Эквивалентная схема подключения базовой цепи транзистора к цифровой ТТЛ микросхеме приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Эквивалентная схема подключения транзисторного ключа к цифровой ТТЛ микросхеме В приведенной схеме ток базы транзистора задаёт резистор R1. Рассчитаем его сопротивление. Для этого необходимо определить падение напряжения на этом резисторе. Минимальное напряжение высокого уровня на выходе ТТЛ микросхемы при максимальном допустимом токе единицы равно 2,4 В. Падение напряжения на базовом переходе транзистора можно считать постоянным и для кремниевых транзисторов равным 0,7 В. Тогда падение напряжения на сопротивлении R1 можно определить по формуле: UR1=U1-Uб=2,4В-0,7В=1,7В . Так как к цифровому выходу подключен только транзисторный ключ, то зададимся максимально возможным током цифровой микросхемы 4 мА. Тогда по закону Ома можно определить сопротивление резистора R1 как отношение падения напряжения на этом резисторе к току, протекающему через него: R1 = 1,7В/4мА = 425 Ом . При выборе резистора из 10% шкалы можно взять резистор 510 Ом (больше чем рассчитали, чтобы не превысить допустимый ток цифровой микросхемы). При работе транзисторного ключа при комнатной температуре расчет на этом заканчивается. Если же предполагается работа транзисторного ключа при повышенных температурах, то транзистор может самопроизвольно открываться обратным током коллектора. Эквивалентная схема цепи протекания этого тока приведена на рисунке 2. Рисунок 2 – Эквивалентная схема цепи протекания обратного коллекторного тока В схеме, приведённой на рисунке 9.7, видно, что на резисторе R1 обратный ток коллектора транзистора VT1 может создать падение напряжения 0,7 В и, тем самым, открыть транзистор. Для того чтобы уменьшить падение напряжения можно параллельно этому резистору подключить еще один резистор (как показано на рисунке 3) и, тем самым, уменьшить открывающее напряжение на базе транзистора. Рисунок 3 – Эквивалентная схема шунтирования цепи протекания обратного коллекторного тока Iко транзисторного ключа резистором. В схеме, приведённой на рисунке 3, можно задаться током, протекающим через резистор R2 в режиме выдачи цифровой микросхемой единичного уровня. Пусть этот ток будет в три раза меньше базового тока транзистора. Тогда ток через резистор R2 будет равен: IR2=4 мА/3 =1,3 мА . Определим сопротивление резистора R2. Для этого воспользуемся законом Ома. Учитывая, что падение напряжения на базовом переходе транзистора является константой и равно 0,7 В. R2 = Uб/IR2 = 0,7В/1,3мА = 510 Ом В режиме выдачи цифровой микросхемой логического нуля сопротивления R1 и R2 соединяются параллельно, и в рассчитанном случае падение напряжения уменьшается вдвое. Обратите внимание, что схема на входе транзистора очень похожа на делитель напряжения, однако не является им. Если бы это был делитель напряжения, то напряжение на базе транзистора уменьшалось бы в два раза, однако на самом деле напряжение уменьшается значительно больше!

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Схема цифрового ключа на комплементарных МДП-транзисторах

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

Здесь использованы взаимодополняющие друг друга (комплементарные) транзисторы: транзистор Т, с каналом n-типа и транзистор Т2 с каналом p-типа. Обозначим через Uзи.порог1 и Uзи.порог2 пороговые напряжения для транзисторов соответственно Т1 и Т2

Стоит обратить внимание, что каждое из указанных пороговых напряжений является положительным

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

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

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

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

Это первое важное достоинство комплементарного ключа

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

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

Поэтому при увеличении напряжения питания быстродействие комплементарного ключа увеличивается.

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

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

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ