Tranzystory polowe: zasada działania, obwody, tryby pracy i modelowanie

Już sprawdziliśmy urządzenie tranzystorów bipolarnych i ich pracaTeraz dowiedzmy się, jakie są tranzystory polowe. Tranzystory polowe są bardzo powszechne zarówno w starych obwodach, jak i nowoczesnych. W dzisiejszych czasach urządzenia z izolowaną bramką są używane w większym stopniu, porozmawiamy o rodzajach tranzystorów polowych i ich cechach dzisiaj. W artykule dokonam porównań z tranzystorami bipolarnymi w osobnych miejscach.

Definicja

Tranzystor polowy to półprzewodnikowy, w pełni kontrolowany klucz, kontrolowany przez pole elektryczne. Jest to główna różnica z punktu widzenia praktyki w stosunku do tranzystorów bipolarnych, które są kontrolowane przez prąd. Pole elektryczne jest wytwarzane przez napięcie przykładane do bramki względem źródła. Biegunowość napięcia sterującego zależy od rodzaju kanału tranzystorowego. Istnieje dobra analogia do elektronicznych lamp próżniowych.

Inna nazwa tranzystorów polowych to unipolarne. „UNO” oznacza jeden. W tranzystorach polowych, w zależności od rodzaju kanału, prąd jest przewodzony tylko przez jeden typ nośnika przez dziury lub elektrony. W tranzystorach bipolarnych prąd powstawał z dwóch rodzajów nośników ładunku - elektronów i dziur, niezależnie od rodzaju urządzeń. Tranzystory polowe w ogólnym przypadku można podzielić na:

• tranzystory ze sterującym złączem pn;

• izolowane tranzystory bramkowe.

Oba mogą być kanałem n i kanałem p, dodatnie napięcie sterujące musi zostać przyłożone do bramki pierwszego z nich, aby otworzyć klucz, a dla drugiego ujemne względem źródła.

Wszystkie typy tranzystorów polowych mają trzy wyjścia (czasem 4, ale rzadko spotykałem się tylko w ZSRR i było to połączone z obudową).

1. Źródło (źródło nośne, bipolarny emiter analogowy).

2. Stoke (źródło nośników ładunku ze źródła, analog kolektora tranzystora bipolarnego).

3. Migawka (elektroda kontrolna, analog siatki na lampach i podstawy na tranzystorach bipolarnych).

Tranzystor PN Tranzystor

Tranzystor składa się z następujących obszarów:

1. kanał;

2. Zapas;

3. Źródło;

4. Migawka.

Na zdjęciu widać schematyczną strukturę takiego tranzystora, ustalenia są połączone z metalizowanymi sekcjami bramki, źródła i drenu. W określonym obwodzie (jest to urządzenie z kanałem p) brama jest warstwą n, ma mniejszą oporność niż obszar kanału (warstwa p), a region połączenia p-n jest z tego powodu bardziej umiejscowiony w regionie p.

Warunkowe oznaczenie graficzne:

 

a - tranzystor polowy typu n, b - tranzystor polowy typu p

Aby ułatwić zapamiętanie, pamiętaj o oznaczeniu diody, w której strzałka wskazuje region p na region n. Tutaj też.

Pierwszym stanem jest zastosowanie napięcia zewnętrznego.

Jeśli napięcie zostanie przyłożone do takiego tranzystora, plus do drenu, a minus do źródła, przepłynie przez niego duży prąd, będzie on ograniczony tylko przez rezystancję kanału, rezystancję zewnętrzną i rezystancję wewnętrzną źródła zasilania. Możesz narysować analogię z normalnie zamkniętym klawiszem. Ten prąd nazywa się Istart lub początkowy prąd drenu przy Us = 0.

Tranzystor polowy z kontrolą złącza pn, bez przyłożonego napięcia sterującego do bramki, jest jak najbardziej otwarty.

Napięcie do drenu i źródła jest przykładane w następujący sposób:

Główne nośniki ładunków są wprowadzane przez źródło!

Oznacza to, że jeśli tranzystor jest kanałem p, wówczas dodatnie wyjście źródła zasilania jest podłączone do źródła, ponieważ głównymi nośnikami są otwory (nośniki ładunku dodatniego) - jest to tak zwana przewodność otworu.Jeśli tranzystor n-kanałowy jest podłączony do źródła, ujemna moc wyjściowa źródła zasilania, ponieważ w nim głównymi nośnikami ładunku są elektrony (ujemne nośniki ładunku).

Źródło jest źródłem głównych przewoźników ładunków.

Oto wyniki modelowania takiej sytuacji. Po lewej stronie jest kanał p, a po prawej tranzystor n-kanałowy.

Drugi stan - przyłóż napięcie do żaluzji

Gdy do bramki zostanie przyłożone napięcie dodatnie względem źródła (Us) dla kanału p i ujemne dla kanału n, przesuwa się ono w przeciwnym kierunku, region złącza p-n rozszerza się w kierunku kanału. W wyniku czego zmniejsza się szerokość kanału, prąd maleje. Napięcie wejściowe, przy którym prąd przez klucz przestaje płynąć, nazywane jest napięciem odcięcia.

Klucz zaczyna się zamykać.

Napięcie odcięcia zostaje osiągnięte, a klucz jest całkowicie zamknięty. Zdjęcie z wynikami symulacji pokazuje taki stan dla klawiszy kanału p (lewy) i kanału n (prawy). Nawiasem mówiąc, w języku angielskim taki tranzystor nazywa się JFET.

Tryby pracy

Tryb pracy tranzystora o napięciu Uзи wynosi zero lub odwrotność. Ze względu na napięcie wsteczne można „zakryć tranzystor”, jest on stosowany we wzmacniaczach klasy A i innych obwodach, w których wymagana jest płynna regulacja.

Tryb odcięcia występuje, gdy Uzi = U odcięcia dla każdego tranzystora jest inny, ale w każdym przypadku jest stosowany w przeciwnym kierunku.

Charakterystyka, CVC

Charakterystyką wyjściową jest wykres przedstawiający zależność prądu drenu od Uci (zastosowanego do zacisków drenu i źródła) przy różnych napięciach bramki.

Można podzielić na trzy obszary. Na początku (po lewej stronie wykresu) widzimy obszar omowy - w tym przedziale tranzystor zachowuje się jak rezystor, prąd rośnie prawie liniowo, osiągając pewien poziom, przechodzi w obszar nasycenia (na środku wykresu).

W prawej części wykresu widzimy, że prąd zaczyna znowu rosnąć, jest to region awarii, tutaj tranzystor nie powinien być zlokalizowany. Najwyższą gałęzią pokazaną na rysunku jest prąd o wartości zero Us, widzimy, że tutaj prąd jest największy.

Im wyższe napięcie Uzi, tym niższy prąd spustowy. Każda gałąź różni się o 0,5 wolta na bramie. Co potwierdziliśmy przez modelowanie.

Charakterystyka drenu, tj. zależność prądu drenu od napięcia bramki przy tym samym napięciu źródła drenu (w tym przykładzie 10 V), tutaj skok siatki wynosi również 0,5 V, ponownie widzimy, że im bliżej napięcia Uzi jest 0, tym większy prąd drenu.

W tranzystorach bipolarnych istniał taki parametr, jak współczynnik transferu prądu lub wzmocnienie, oznaczono go jako B lub H21e lub Hfe. W polu stromość służy do wyświetlania zdolności do zwiększenia napięcia, co jest oznaczone literą S.

S = dIc / dU

Oznacza to, że stromość pokazuje, o ile miliamperów (lub amperów) rośnie prąd drenu wraz ze wzrostem napięcia źródła bramkowego o liczbę woltów o niezmienionym napięciu źródła drenu. Można to obliczyć na podstawie charakterystyki bramka-brama; w powyższym przykładzie nachylenie wynosi około 8 mA / V.

Schematy przełączania

Podobnie jak tranzystory bipolarne, istnieją trzy typowe schematy połączeń:

1. Ze wspólnego źródła (a). Jest używany najczęściej, daje wzrost prądu i mocy.

2. Ze wspólną migawką (b). Rzadko stosowany, niska impedancja wejściowa, brak wzmocnienia.

3. Przy całkowitym odpływie (c). Wzmocnienie napięcia jest bliskie 1, impedancja wejściowa jest duża, a impedancja wyjściowa jest niska. Inną nazwą jest obserwujący źródło.

Funkcje, zalety, wady

• Główną zaletą tranzystora polowego wysoka impedancja wejściowa. Rezystancja wejściowa to stosunek prądu do napięcia źródło-bramka. Zasada działania polega na sterowaniu za pomocą pola elektrycznego i powstaje po przyłożeniu napięcia. To znaczy tranzystory polowe.

• Tranzystor polowy praktycznie nie zużywa prądu kontrolnego, to jest zmniejsza utratę kontroli, zniekształcenie sygnału, aktualne przeciążenie źródła sygnału ...

• Średnia częstotliwość Tranzystory polowe działają lepiej niż bipolarnewynika to z faktu, że na „resorpcję” nośników ładunku w obszarach tranzystora bipolarnego potrzeba mniej czasu. Niektóre współczesne tranzystory bipolarne mogą nawet przewyższać tranzystory polowe, wynika to z zastosowania bardziej zaawansowanych technologii, zmniejszających szerokość podstawy i nie tylko.

• Niski poziom hałasu tranzystorów polowych wynika z braku procesu wtrysku ładunku, jak w przypadku bipolarnych.

• Stabilność przy temperaturze.

• Niskie zużycie energii w stanie przewodzącym - większa wydajność urządzeń.

Najprostszym przykładem zastosowania wysokiej impedancji wejściowej jest dopasowanie urządzeń do łączenia gitar elektroakustycznych z przetwornikami piezoelektrycznymi i gitar elektrycznych z przetwornikami elektromagnetycznymi do wejść liniowych o niskiej impedancji wejściowej.

Niska impedancja wejściowa może powodować spadek sygnału wejściowego, zniekształcając jego kształt w różnym stopniu w zależności od częstotliwości sygnału. Oznacza to, że musisz tego uniknąć, wprowadzając kaskadę o wysokiej impedancji wejściowej. Oto najprostszy schemat takiego urządzenia. Nadaje się do podłączania gitar elektrycznych do wejścia liniowego karty dźwiękowej komputera. Dzięki niemu dźwięk stanie się jaśniejszy, a barwa będzie bogatsza.

Główną wadą jest to, że takie tranzystory boją się ładunków elektrostatycznych. Możesz zabrać element zelektryfikowanymi rękami i natychmiast się nie powiedzie, jest to konsekwencja zarządzania kluczem za pomocą pola. Zaleca się, aby pracowali z nimi w rękawicach dielektrycznych, połączonych specjalną bransoletą z ziemią, za pomocą lutownicy niskiego napięcia z izolowaną końcówką, a przewody tranzystora można związać drutem, aby je zwierać podczas instalacji.

Nowoczesne urządzenia praktycznie się tego nie boją, ponieważ przy wejściu do nich można wbudować urządzenia ochronne, takie jak diody Zenera, które działają po przekroczeniu napięcia.

Czasami dla początkujących amatorów radia lęki dochodzą do absurdu, na przykład nakładania foliowych czapek na głowę. Wszystko opisane powyżej, choć jest to obowiązkowe, ale nieprzestrzeganie jakichkolwiek warunków nie gwarantuje awarii urządzenia.

Tranzystory z izolowanym efektem bramkowym

Ten typ tranzystora jest aktywnie wykorzystywany jako klucz sterowany półprzewodnikiem. Ponadto działają najczęściej w trybie kluczowym (dwie pozycje „włączony” i „wyłączony”). Mają kilka nazw:

1. Tranzystor MOS (metal-dielektryk-półprzewodnik).

2. Tranzystor MOS (półprzewodnik z tlenku metalu).

3. Tranzystor MOSFET (metal-tlenek-półprzewodnik).

Pamiętaj - to tylko odmiany o tej samej nazwie. Dielektryk, zwany także tlenkiem, pełni rolę izolatora bramy. Na poniższym schemacie pokazano izolator między regionem n w pobliżu migawki i migawki w postaci białej strefy z kropkami. Wykonany jest z dwutlenku krzemu.

Dielektryk eliminuje kontakt elektryczny między elektrodą bramkową a podłożem. W przeciwieństwie do kontrolnego złącza pn, nie działa na zasadzie rozszerzania przejścia i nakładania się kanałów, ale na zasadzie zmiany stężenia nośników ładunku w półprzewodniku pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. MOSFET są dwojakiego rodzaju:

1. Ze zintegrowanym kanałem.

2. Z indukowanym kanałem

Tranzystory zintegrowane z kanałem

Na schemacie widać tranzystor ze zintegrowanym kanałem. Można już z niego zgadywać, że zasada jego działania przypomina tranzystor polowy ze sterującym złączem p-n, tj. gdy napięcie bramki wynosi zero, prąd przepływa przez przełącznik.

W pobliżu źródła i ujścia powstają dwa regiony o wysokiej zawartości zanieczyszczeń ładunkowych (n +) o podwyższonej przewodności. Podłoże jest podstawą typu P (w tym przypadku).

Należy pamiętać, że kryształ (podłoże) jest podłączony do źródła, jest narysowany na wielu konwencjonalnych symbolach graficznych.Kiedy napięcie bramki wzrasta, w kanale powstaje poprzeczne pole elektryczne, odpycha ono nośniki ładunku (elektrony), a kanał zamyka się po osiągnięciu wartości progowej U U.

Tryby pracy

Kiedy przykładane jest ujemne napięcie źródła bramkowego, prąd drenu spada, tranzystor zaczyna się zamykać - nazywa się to trybem ubogim.

Po przyłożeniu napięcia dodatniego do źródła bramy następuje proces odwrotny - elektrony są przyciągane, prąd wzrasta. To jest tryb wzbogacania.

Wszystko to dotyczy tranzystorów MOS ze zintegrowanym kanałem typu N. Jeśli kanał typu p zastąpi wszystkie słowa „elektrony” słowami „dziury”, polaryzacja napięcia zostanie odwrócona.

Modelowanie

Tranzystor z wbudowanym kanałem typu n z zerowym napięciem bramki:

Do żaluzji przykładamy -1 V. Prąd zmniejszony o 20 razy.

Zgodnie z arkuszem danych tego tranzystora mamy próg napięcia źródła bramkowego w zakresie jednego wolta, a jego typowa wartość wynosi 1,2 V. Sprawdź to.

 

Prąd stał się w mikroamperach. Jeśli zwiększysz nieco napięcie, zniknie ono całkowicie.

Losowo wybrałem tranzystor i trafiłem na dość wrażliwe urządzenie. Spróbuję zmienić biegunowość napięcia, aby bramka miała potencjał dodatni, sprawdzimy tryb wzbogacania.

Przy napięciu bramki 1 V prąd wzrósł czterokrotnie w porównaniu z tym, co było przy 0 V (pierwsze zdjęcie w tej sekcji). Wynika z tego, że w przeciwieństwie do poprzedniego typu tranzystorów i tranzystorów bipolarnych może działać zarówno w celu zwiększenia prądu, jak i zmniejszenia bez dodatkowego wiązania. To stwierdzenie jest bardzo niegrzeczne, ale w pierwszym przybliżeniu ma prawo istnieć.

Charakterystyka

Tutaj wszystko jest prawie takie samo jak w tranzystorze z przejściem sterującym, z wyjątkiem obecności trybu wzbogacania w charakterystyce wyjściowej.

Na charakterystyce drenu wyraźnie widać, że ujemne napięcie powoduje wyczerpanie trybu i zamknięcie klucza, a dodatnie napięcie na żaluzji powoduje wzbogacenie i większe otwarcie klucza.

Tranzystory indukowane kanałowo

Tranzystory MOSFET z kanałem indukowanym nie przewodzą prądu, gdy na bramce nie ma napięcia, a raczej jest prąd, ale jest on bardzo mały, ponieważ jest to prąd powrotny między podłożem a wysokostopowymi obszarami odpływu i źródła.

Tranzystor polowy z izolowaną bramką i kanałem indukowanym jest analogiem normalnie otwartego przełącznika, prąd nie płynie.

W obecności napięcia źródło-bramka, jak rozważamy typ n indukowanego kanału, napięcie jest dodatnie, ujemne nośne przyciągane są do obszaru bramki przez działanie pola.

Jest więc „korytarz” dla elektronów od źródła do drenu, więc pojawia się kanał, tranzystor się otwiera i prąd zaczyna przez niego przepływać. Mamy podłoże typu p, główne w nim to nośniki ładunku dodatniego (dziury), jest bardzo niewiele nośników ujemnych, ale pod wpływem pola odrywają się od atomów i rozpoczyna się ich ruch. Stąd brak przewodności przy braku napięcia.

Charakterystyka

Charakterystyka wyjściowa dokładnie powtarza tę samą różnicę od poprzednich, tyle że napięcia Uz stają się dodatnie.

Charakterystyka zamknięcia bramki pokazuje to samo, ponownie różnice w napięciach bramki.

Rozważając charakterystykę prądu i napięcia, niezwykle ważne jest uważne przyjrzenie się wartościom zapisanym wzdłuż osi.

Modelowanie

Do klucza przyłożono napięcie 12 V, a my mieliśmy 0. Przy bramce prąd nie przepływa przez tranzystor.

Dodaj 1 wolt do bramki, ale prąd nie wydawał się płynąć ...

Dodając jeden wolt, stwierdziłem, że prąd zaczyna rosnąć z 4v.

Dodając kolejny 1 wolt, prąd gwałtownie wzrósł do 1,129 A.

Arkusz danych wskazuje napięcie progowe dla otwarcia tego tranzystora w sekcji od 2 do 4 woltów, a maksimum w bramce od bramki od -20 do +20 V, dalsze przyrosty napięcia nie dały wyników przy 20 woltach (nie zrobiłem kilku miliamperów Myślę w tym przypadku).

Oznacza to, że tranzystor byłby całkowicie otwarty, gdyby nie był, prąd w tym obwodzie wynosiłby 12/10 = 1,2 A. Później przestudiowałem, jak działa ten tranzystor, i odkryłem, że przy 4 woltach zaczyna się otwierać.

Dodając 0,1 V każdy, zauważyłem, że z każdą dziesiątą wolta prąd rośnie coraz bardziej, a o 4,6 V tranzystor jest prawie całkowicie otwarty, różnica z napięciem bramkowym 20 V w prądzie drenu wynosi tylko 41 mA, przy 1,1 A to bzdury.

Eksperyment ten odzwierciedla fakt, że tranzystor z kanałem indukowanym otwiera się dopiero po osiągnięciu napięcia progowego, co pozwala mu idealnie działać jako klucz w obwodach impulsowych. W rzeczywistości IRF740 jest jednym z najczęstszych w przełączaniu zasilaczy.

Wyniki pomiarów prądu bramki wykazały, że tranzystory polowe prawie nie zużywają prądu sterującego. Przy napięciu 4,6 wolta prąd wynosił tylko 888 nA (nano !!!).

Przy napięciu 20 V było to 3,55 μA (mikro). W przypadku tranzystora bipolarnego byłby on rzędu 10 mA, w zależności od wzmocnienia, które jest dziesiątki tysięcy razy większe niż w przypadku pola.

Nie wszystkie klucze są otwierane przez takie napięcia, wynika to z konstrukcji i cech obwodów urządzeń, w których są używane.

Funkcje używania kluczy z izolowaną żaluzją

Dwa przewodniki, a między nimi dielektryk - co to jest? Jest to tranzystor, sama brama ma pojemność pasożytniczą, spowalnia proces przełączania tranzystora. Nazywa się to ogólnie płaskowyżem Millera, to pytanie jest warte osobnego poważnego materiału z dokładnym modelowaniem, przy użyciu innego oprogramowania (nie sprawdziłem tej funkcji w trybie multisim).

Pojemność rozładowana w pierwszym momencie wymaga dużego prądu ładowania, a rzadkie urządzenia sterujące (kontrolery PWM i mikrokontrolery) mają mocne wyjścia, więc używają sterowników do rolet zewnętrznych, zarówno w tranzystorach polowych, jak i IGBT (dwubiegunowa z izolowaną migawką). Jest to taki wzmacniacz, który przekształca sygnał wejściowy w wyjście o takiej wielkości i sile prądu, wystarczające do włączenia i wyłączenia tranzystora. Prąd ładowania jest również ograniczony przez rezystor połączony szeregowo z bramką.

Jednocześnie niektóre bramki mogą być kontrolowane z portu mikrokontrolera poprzez rezystor (ten sam IRF740). Dotknęliśmy tego tematu. w cyklu materiałowym arduino.

Grafika warunkowa

Przypominają tranzystory polowe z bramką kontrolną, ale różnią się tym w UGO, ponieważ w samym tranzystorze brama jest oddzielona od podłoża, a strzałka w środku wskazuje typ kanału, ale jest skierowana od podłoża do kanału, jeśli jest to mosfet n-kanałowy - w kierunku migawki i odwrotnie.

W przypadku kluczy z indukowanym kanałem:

Może to wyglądać tak:

Zwróć uwagę na angielskie nazwy wniosków, często są one wskazane w arkuszu danych i na diagramach.

W przypadku kluczy z wbudowanym kanałem: