Практические примеры схем на полевых транзисторах.

Электроника для всех

Кроме транзисторов

и сборок
Дарлингтона
есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые
МОП транзисторы. Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.

МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана. Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома. Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5. Тут вариантов три:

• На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
  
• применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.
  

  Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных. Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

• Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.
Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I Drain или ID выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это VGS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость ID от VDS при разных значениях VGS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I2R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или ton,toff, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора Ciss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.

Устройство на полевом транзисторе

Электронная нагрузка на полевом транзисторе делается только на базе компаратора, а тиристор используется регулируемого типа. При сборке в первую очередь стоит подобрать конденсаторный блок, который играет роль генератора импульсов. Всего для модификации потребуется три фильтра. Резистор устанавливается за обкладками. Специалисты говорят о том, что электронная нагрузка на полевом транзисторе выдает сопротивление 40 Ом.

Если проводимость сильно повышается, значит, устанавливается емкостный конденсатор. Непосредственно трансивер рекомендуется использовать на два контакта. Реле устанавливается стандартно с регулятором. Номинальное напряжение у нагрузок данного типа составляет не более 400 Вт. Специалисты утверждают, что обкладка должна фиксироваться за резистором. Если рассматривать высокочастотную модель для блоков питания на 300 В, то модулятор потребуется волнового типа. При этом за тиристором устанавливается тетрод.

Устройства на базе KTC8550

Нагрузки на базе данных транзисторов очень ценятся среди профессионалов. Модели замечательно подходят для тестирования блоков небольшой мощности. Показатель допустимой перегрузки, как правило, равняется 5 А. У моделей могут использоваться разные системы защиты. При сборке модификации разрешается применять двоичные модуляторы с проводимостью 4 мк. Таким образом, устройства будут выдавать большую частоту на уровне 300 кГц.

Если говорить про недостатки, то стоит отметить, что модификации не способны работать с блоками питания на 10 А. В первую очередь возникают проблемы с импульсными скачками. Перегрев конденсатора также даст о себе знать. Чтобы решить данную проблему, на нагрузки устанавливаются расширители. Триоды, как правило, применяются с двумя обкладками и изолятором.

Модели серии ITECH

Нагрузки данной серии выделяются высокой проводимостью. У них хорошая защищенность. В этом случае используется несколько трансиверов. Электронная нагрузка для блока питания в среднем работает при частоте 200 кГц. Перегрузка при этом равняется 4 А. Усилители в устройствах применяются с контактными переходниками. Тиристоры используются фазового либо кодового типа. Среди моделей данной серии встречаются программируемые модификации. Они хорошо подходят для тестирования компьютерных блоков питания. Трансиверы можно встреть с расширителями и без них.

Устройства компании AMETEK

Нагрузки данной торговой марки выделяются низкой проводимостью. Они замечательно подходят для блоков питания на 15 А. Среди моделей данной фирмы имеется множество импульсных модификаций. Продельная перегрузка у них не высокая, но обеспечивается высокая скорость генерации импульса. Специалисты в первую очередь отмечают хорошую защищенность элементов. У них используется несколько фильтров. Они справляются с фазовыми помехами, которые искажают сигналы.

Если рассматривать модели высокой частоты, то у них имеется несколько тиристоров. Также стоит отметить, что на рынке представлены модификации на проводных компараторах. На базе обычной нагрузки данной торговой марки можно собрать отличный прибор для разных блоков питания. У моделей отличные стабилизаторы и очень чувствительные транзисторы.

Модели для блоков на 10 А

Нагрузка электронная для блока питания на 10 А собирается при помощи расширительного тиристора. Транзисторы довольно часто применяются на 5 пФ, у которых низкая проводимость. Также стоит отметить, что специалисты не советуют использовать линейные аналоги. У них малая чувствительность. Они сильно повышают коэффициент рассеивания. Для подключения к блоку применяются контакторы. Модуляторы довольно часто используются с переходниками.

Если рассматривать схему на конденсаторном блоке, то у них частота в среднем равняется 400 кГц. При этом чувствительность может меняться. Контакторы довольно часто фиксируются за модулятором. Стабилизаторы следует использовать на две обкладки. Также стоит отметить, что для сборки модификации потребуется полюсный резистор. Он сильно помогает увеличивать скорость генерации импульса.

Схема устройств для блоков на 20 А

Электронная нагрузка (схема показана ниже) для блоков на 20 А производится на базе двоичных резисторов. У них поддерживается стабильная высокая проводимость. Чувствительность при этом равняется примерно 6 мВ. Некоторые модификации выделяются высоким параметром перегрузки. Реле у моделей используются на волновых транзисторах. Для решения проблем с преобразованием используются компараторы. Расширители часто встречаются фазового типа. И у них может быть несколько переходников. При необходимости устройство можно собрать самостоятельно. Для этого применяется конденсаторный блок.

Номинальное напряжение у самодельных нагрузок стартует от 300 Вт, а частота в среднем составляет 400 кГц. Специалисты не советуют применять переходные компараторы. Регуляторы используются с обкладками. Для установки компаратора потребуется изолятор. Если рассматривать нагрузки на двух тиристорах, то там используются фильтры. В среднем емкость модуля равняется 3 пФ. Показатель рассеивания у самодельных моделей стартует от 50%. При сборке устройства особое внимание стоит уделять переходнику для подключения к блоку питания. Контакторы побираются полюсного типа. Они должны выдерживать большие перегрузки и не перегреваться.

Устройства для блоков на 15 А

Наиболее распространенными считаются нагрузки для блоков на 15 А. У них используются открытые резисторы. При этом трансиверы применяются разной полярности. Кроме того, они отличаются по чувствительности. В среднем напряжение приборов равняется 320 В. Модели между собой отличаются по проводимости. С целью самостоятельной сборки применяются компараторы на регуляторах. Перед началом их установки крепятся стабилизаторы.

Специалисты говорят о том, что расширители можно устанавливать только через обкладку. Проводимость на входе обязана составлять не более 6 мк. При установке регулятора тщательно зачищается компаратор. Если собирать простую модель, то модулятор можно использовать инверторного типа. При этом сильно повысится коэффициент рассеивания. Пороговое напряжение в среднем равняется 200 В. Допустимый параметр мощности составляет не более 240 Вт. Также стоит отметить, что для нагрузки применяются фильтры разных типов. В данном случае многое зависит от проводимости компаратора.

Особенности устройств серии Sorensen

Стандартная нагрузка электронная данной серии включает в себя тиристор и линейный компаратор. Многие модели производятся с полюсными фильтрами, которые способны работать при высокой частоте. Также стоит отметить, что на рынке представлены лабораторные модификации. У них достаточно низкий коэффициент рассеивания. Модели довольно часто применяются коммутируемого типа. Показатель перегрузки в среднем равняется 20 А. Системы защиты используются разных классов. На прилавках магазинов есть импульсные модели. Они хорошо подходят для тестирования компьютерных блоков питания. Расширители в устройствах применяются с обкладками.

Как он работает

Полевой транзистор включает нескольких составных элементов — истока (источника носителя заряда наподобие эмиттера на биполярном элементе), стока (приемника заряда по аналогии с коллектором) и затвора (управляющего электрода наподобие сетки в лампах или базы). Работа первых двух очевидна и состоит в генерации и приеме носителя электрозаряда, среди которых электроны и дырки. Затвор же нужен в первую очередь для управления электротоком, который протекает через ПТ. То есть, получается классического вида триод с катодом, анодом и электродом управляющего типа.

Когда происходит подача напряжения на затвор, возникает электрополе, которое изменяет ширину определенных переходов и влияет на параметр электротока, протекающего от истока к стоку. Если управляющее напряжение отсутствует, то ничто не будет препятствовать потоку носителей заряда в виде электронов. Когда напряжение управления повышается, то канал, по которому движутся электроны или дырки, наоборот, уменьшается, а при достижении некоего предела закрывается совсем, и полевой транзистор входит в так называемый режим отсечки. Именно эта характеристика ПТ делает возможным их применение в качестве ключей.

Свойства усиления электротока этого радиокомпонента обусловлены тем, что сильный электрический ток, который протекает от истока к стоку, повторяет все динамические характеристика напряжения, прикладываемого к затвору. Другим языком, с выхода этого усилителя берется абсолютно такой же по форме сигнал, как и на электроде управления, только более сильный.

Строение ПТ (униполярного транзистора) немного отличается от биполярного. А именно тем, что электричество в нем пере пересекает определенные переходные зоны. Электрозаряды совершают движение по участку регуляции, который называется затвором. Его пропускная способность регулируется параметром напряжения.

Важно! Пространство зон транзистора под действием электрического поля уменьшается и увеличивается. Исходя из этого изменяется количество носителей зарядов — от их полного отсутствия до переизбытка.