Terepi tranzisztorok: működési elv, áramkörök, üzemmódok és modellezés

Már áttekintettük bipoláris tranzisztorok készüléke és munkájaMost megtudjuk, mi a mezőhatású tranzisztorok. A terepi tranzisztorok nagyon általánosak a régi áramkörökben és a modern egyaránt. Manapság a szigetelt kapuval felszerelt eszközöket nagyobb mértékben használják, ma a mezőhatású tranzisztorok típusairól és azok jellemzőiről beszélünk. A cikkben összehasonlításokat fogok végezni bipoláris tranzisztorokkal, külön helyeken.

meghatározás

A mezőhatású tranzisztor egy félvezető, teljesen vezérelhető kulcs, amelyet egy elektromos mező vezérelt. Ez a gyakorlat szempontjából a fő különbség az áram által vezérelt bipoláris tranzisztoroktól. Az elektromos mezőt a kapuhoz a forráshoz viszonyított feszültség hozza létre. A vezérlőfeszültség polaritása a tranzisztorcsatorna típusától függ. Jó analógia van az elektronikus vákuumcsövekkel.

A mezőhatású tranzisztorok másik neve egypólusú. "UNO" jelent egyet. A terepi tranzisztorokban a csatorna típusától függően az áramot csak egy típusú hordozó végzi lyukak vagy elektronok által. A bipoláris tranzisztorokban az áram kétféle töltőhordozóból - elektronokból és lyukakból - alakult ki, az eszköz típusától függetlenül. A terepi tranzisztorokat általában az alábbiak szerint lehet felosztani:

• tranzisztorok vezérlő pn csatlakozással;

• szigetelt kaputranzisztorok.

Mindkettő lehet n-csatornás és p-csatornás, az első kapujára pozitív vezérlőfeszültséget kell bevezetni a kulcs kinyitása érdekében, utóbbi esetében pedig a forráshoz viszonyítva negatív.

Az összes típusú mezőtranzisztornak három kimenete van (néha 4, de ritkán, csak szovjetben találkoztam, és az esethez volt kapcsolva).

1. Forrás (vivőforrás, bipoláris emitter analóg).

2. Stoke (a töltéshordozó forrása a forrásból, egy bipoláris tranzisztor kollektorának analógja).

3. Redőny (vezérlő elektróda, a lámpák rácsának analógja és a bipoláris tranzisztorok alapjai).

PN tranzisztor Tranzisztor

A tranzisztor a következő területekből áll:

1. Csatorna;

2. Készlet;

3. a forrás;

4. Redőny.

A képen egy ilyen tranzisztor vázlatos felépítése látható, a következtetések a kapu, a forrás és a lefolyó fémezett szakaszaihoz kapcsolódnak. Egy adott áramkörben (ez egy p-csatornás eszköz) a kapu n-rétegű, kevesebb ellenállással rendelkezik, mint a csatorna régió (p-réteg), és a p-n csomópont ezért inkább a p-régióban helyezkedik el.

Feltételes grafikus megjelölés:

 

a - n típusú mezőtranzisztor, b - p típusú mezőtranzisztor

Az emlékezés megkönnyítése érdekében emlékezzen a dióda jelölésére, ahol a nyíl a p-régióból az n-tartományba mutat. Itt is.

Az első állapot a külső feszültség alkalmazása.

Ha egy ilyen tranzisztorra feszültséget alkalmaznak, plusz a csatorna és a forrás mínusz, egy nagy áram folyik rajta, csak a csatornaellenállás, a külső ellenállás és az áramforrás belső ellenállása korlátozza. Analógiát rajzolhat egy általában zárt billentyűvel. Ezt az áramot Istartnak nevezzük, vagy a kezdeti leeresztőáramot Us = 0-nál.

A pn csomópont-vezérléssel ellátott terepi tranzisztor a kapuhoz alkalmazott vezérlőfeszültség nélkül annyira nyitott, amennyire csak lehetséges.

A csatorna és a forrás feszültsége így kerül felhasználásra:

A fő töltő hordozókat a forráson keresztül vezetjük be!

Ez azt jelenti, hogy ha a tranzisztor p-csatornás, akkor az energiaforrás pozitív kimenete a forráshoz kapcsolódik, mert a fő hordozók lyukak (pozitív töltéshordozók) - ez az úgynevezett lyuk vezetőképessége.Ha az n-csatornás tranzisztor csatlakozik a forráshoz, akkor az áramforrás negatív kimenete, mert benne a fő töltéshordozók elektronok (negatív töltéshordozók).

A forrás a fő töltőanyagok forrása.

Íme egy ilyen helyzet modellezésének eredménye. Bal oldalon egy p-csatorna, a jobb oldalon n-csatornás tranzisztor található.

A második állapot - feszültséget kell adni a redőnyre

Amikor a kapunál pozitív feszültséget adunk a forráshoz viszonyítva (Us) a p-csatornán, és negatív az n-csatornán, akkor az ellenkező irányba tolódik el, és a p-n csomópontja a csatorna felé tágul. Ennek eredményeként a csatorna szélessége csökken, az áram csökken. A kapu feszültségét, amelyen a kulcson áthaladó áram leáll, áramlási feszültségnek nevezzük.

A kulcs bezáródni kezd.

A küszöbértéket elérjük, és a kulcs teljesen be van zárva. A szimulációs eredményekkel ellátott kép a p-csatorna (bal) és az n-csatorna (jobb) gombok ilyen állapotát mutatja. By the way, angolul egy ilyen tranzisztort JFET-nek hívnak.

Üzemmódok

Az Uзи feszültséggel rendelkező tranzisztor üzemmódja nulla vagy fordított. A fordított feszültség miatt "lefedheti a tranzisztorot", az A osztályú erősítőkben és más áramkörökben használható, ahol sima szabályozásra van szükség.

A cutoff mód akkor fordul elő, amikor az Uzi = U cutoff minden tranzisztor esetében különbözik, de mindenesetre ellentétes irányban alkalmazzák.

Jellemzők, CVC

A kimeneti karakterisztika egy grafikon, amely ábrázolja a lefolyó áram Uci-től való függését (amelyet a lefolyó és a forrás kivezetésére alkalmaznak) különböző kapu feszültségeknél.

Három területre osztható. Az elején (a grafikon bal oldalán) látjuk az ohmikus régiót - ebben az intervallumban a tranzisztor úgy viselkedik, mint egy ellenállás, az áram szinte lineárisan növekszik, elérve egy bizonyos szintet, a telítési tartományba (a grafikon közepére) megy.

A grafikon jobb oldalán azt látjuk, hogy az áram újra növekedni kezd, ez a bontási régió, itt a tranzisztornak nem szabad elhelyezkednie. Az ábrán látható legfelső ág a nulla Usnél lévő áram, látjuk, hogy itt az a legnagyobb.

Minél nagyobb az Uzi feszültség, annál alacsonyabb a lefolyó áram. Mindegyik ág 0,5 V-os különbséget mutat a kapunál. Amit modellezéssel megerősítettünk.

A lefolyó-kapu jellemzője, azaz a lefolyóáram függése a kapu feszültségétől ugyanazon a lefolyó-forrás feszültségnél (ebben a példában 10V), itt a rácsmagasság is 0,5 V, megint látjuk, hogy minél közelebb van az Uzi feszültség 0-nak, annál nagyobb a leeresztőáram.

A bipoláris tranzisztorokban olyan paraméter létezett, mint az áramátviteli együttható vagy erősítés, ezt B vagy H21e vagy Hfe jelöléssel jelölték. A mezõn a merevség jelenik meg a feszültség növelésének képességénél, amelyet S betû jelöl

S = dIc / dU

Vagyis a merevség megmutatja, hogy mekkora milliamp (vagy amper) növekszik a lefolyó áram a kapu-forrás feszültségének növekedésével a változatlan leeresztő-forrás feszültséggel rendelkező voltok számával. Ez kiszámítható a kapu-kapu jellemzői alapján; a fenti példában a meredekség körülbelül 8 mA / V.

Váltó rendszerek

A bipoláris tranzisztorokhoz hasonlóan három tipikus kapcsolási rajz létezik:

1. Közös forrással (a). Leggyakrabban használják, áramot és energiát nyernek.

2. Közös redőnyrel (b). Ritkán használt, alacsony bemeneti impedancia, nincs erősítés.

3. Teljes leeresztéssel (c). A feszültségnövekedés közel 1, a bemeneti impedancia nagy, és a kimeneti impedancia alacsony. Egy másik név forráskövető.

Jellemzők, előnyök, hátrányok

• A terepi tranzisztor fő előnye magas bemeneti impedancia. A bemeneti ellenállás az áram és a kapu-forrás feszültségének aránya. A működés elve abban rejlik, hogy egy elektromos mezőt használnak-e a vezérlés, és feszültség alkalmazásakor alakul ki. Ez az terepi hatású tranzisztorok.

• Terepi hatású tranzisztor gyakorlatilag nem fogyaszt vezérlőáramot, ez az csökkenti a vezérlés veszteségét, a jel torzulását, a jelforrás jelenlegi túlterhelése ...

• Átlagos gyakoriság A terepi tranzisztorok jobban teljesítenek, mint a bipoláris, ennek oka az a tény, hogy kevesebb idő szükséges a töltéshordozók "resorpciójához" a bipoláris tranzisztor területein. Néhány modern bipoláris tranzisztor akár a terepi transzisztorokat is meghaladhatja, ennek oka a fejlettebb technológiák használata, az alap szélességének csökkentése stb.

• A terepi tranzisztorok alacsony zajszintjét a töltés-befecskendezés hiánya okozza, mint a bipoláris esetén.

• Stabilitás hőmérsékleten.

• Alacsony energiafogyasztás vezetőképes állapotban - az eszközök nagyobb hatékonysága.

A nagy bemeneti impedancia legegyszerűbb példája a megfelelő eszközök piezo-hangszedővel elektrokusztikus gitárok és elektromágneses hangszedőkkel felszerelt elektromos gitárok összekapcsolásához alacsony bemeneti impedanciájú vonali bemenetekkel.

Az alacsony bemeneti impedancia a bemeneti jel csökkenését okozhatja, alakját a jel frekvenciájától függően különböző mértékben torzíthatja. Ez azt jelenti, hogy ezt el kell kerülnie egy nagy bemeneti impedanciával rendelkező kaszkád bevezetésével. Itt található a legegyszerűbb ábra egy ilyen eszközről. Elektromos gitárok csatlakoztatására alkalmas a számítógép audiokártya vonali bemenetéhez. Ezzel a hang világosabb lesz, és a hangzás gazdagabb.

A fő hátrány az, hogy az ilyen tranzisztorok félnek a statikusól. Vehet egy elemet elektromos kezével, és azonnal kudarcot vall, ez annak következménye, hogy a kulcsot a mező segítségével kezelik. Javasoljuk, hogy dolgozzanak velük dielektromos kesztyűben, amelyet egy speciális karkötőn keresztül csatlakoztatnak a földre, egy alacsony feszültségű forrasztópáka szigetelt csúccsal, és a tranzisztor vezetékeit huzalhoz lehet kötni, hogy rövidzárlatba tegyék őket a telepítés során.

A modern eszközök ezt gyakorlatilag nem félik, mivel a bejáratukhoz védőberendezéseket, például zener diódákat építhetnek be, amelyek a feszültség túllépésekor működnek.

Időnként a kezdő rádióamatőrök számára a félelmek elérték az abszurditást, például fóliasapkák felhelyezése a fejére. A fent leírtak, bár kötelezőek, de a feltételek be nem tartása nem garantálja az eszköz meghibásodását.

Szigetelt kapu-terepi tranzisztorok

Az ilyen típusú tranzisztorokat félvezető vezérelt kulcsként használják. Sőt, leggyakrabban billentyű módban működnek (két helyzetben „be” és „ki”). Több névvel is rendelkeznek:

1. MOS tranzisztor (fém-dielektromos-félvezető).

2. MOS tranzisztor (fém-oxid félvezető).

3. MOSFET tranzisztor (fém-oxid-félvezető).

Ne feledje - ezek csak azonos név variációk. A dielektromos anyag, vagy más néven oxid, a kapu szigetelőjének játszik szerepet. Az alábbi ábrán egy szigetelő látható az redőny melletti n-régió és a redőny között fehér pontokkal ellátott zóna formájában. Szilícium-dioxidból készül.

A dielektrikum kiküszöböli a kapuelektród és a hordozó közötti elektromos érintkezést. A vezérlő pn csomóponttal ellentétben nem a csomópont kiterjesztésének és a csatorna átfedésének az elvén működik, hanem azon az elven, amely szerint a félvezető töltő hordozóinak koncentrációja megváltozik egy külső elektromos mező hatására. A MOSFET kétféle:

1. Beépített csatornával.

2. Indukált csatornával

Csatorna integrált tranzisztorok

Az ábrán egy integrált csatornával rendelkező tranzisztor látható. Már abból kitalálható, hogy működésének alapeleme egy p-n vezérléssel rendelkező terepi tranzisztorra hasonlít, azaz ha a kapu feszültsége nulla, akkor az áram áramlik a kapcsolón.

A forrás és a mosogató közelében két nagy megnövekedett vezetőképességű szennyezőanyag-hordozó (n +) tartalommal rendelkező két régió jön létre. A szubsztrátum P típusú bázis (ebben az esetben).

Felhívjuk figyelmét, hogy a kristály (hordozó) a forráshoz van kötve, sok hagyományos grafikus szimbólumra rajzolódik.Ha a kapu feszültsége növekszik, egy keresztirányú elektromos mező lép fel a csatornában, taszítja a töltéshordozókat (elektronokat), és a csatorna bezárul, amikor az Uz küszöbértéket elérték.

Üzemmódok

Negatív kapu-forrás feszültség alkalmazásakor a leeresztőáram csökken, a tranzisztor elkezdi bezáródni - ezt nevezik karcsú üzemmódnak.

Ha a kapu-forrásra pozitív feszültséget alkalmaznak, akkor fordított folyamat történik - az elektronok vonzódnak, az áram növekszik. Ez egy gazdagítási mód.

A fentiek mindegyike igaz az MOS tranzisztorokra, amelyek N-beépített csatornát tartalmaznak. Ha a p-típusú csatorna az „elektronok” szavakat az „lyukakkal” helyettesíti, akkor a feszültség polaritása megfordul.

modellezés

Tranzisztor beépített n-típusú csatornával, nulla kapu feszültséggel:

-1 V-t alkalmazunk a redőnyre. Az áram 20-szor csökkent.

A tranzisztor adatlapja szerint egy kapu-forrás feszültség van egy volt körül, és tipikus értéke 1,2 V, ellenőrizze ezt.

 

Az áram mikroamperekben vált be. Ha egy kicsit növeli a feszültséget, az teljesen eltűnik.

Véletlenszerűen választottam egy tranzisztort, és egy meglehetősen érzékeny eszközzel találkoztam. Megpróbálom megváltoztatni a feszültség polaritását, hogy a kapu pozitív potenciállal rendelkezzen, ellenőrizni fogjuk a dúsítási módot.

1 V kapu feszültségnél az áram négyszeresére nőtt, összehasonlítva azzal, ami 0 V volt (ebben a szakaszban az első kép). Ebből következik, hogy az előző típusú tranzisztoroktól és bipoláris tranzisztoroktól eltérően, mind az áram növelése, mind pedig csökkentése nélkül képes működni. Ez az állítás nagyon durva, de az első megközelítésnek joga van létezni.

jellemzői

Itt minden szinte ugyanaz, mint egy vezérlőátmenettel rendelkező tranzisztornál, kivéve a dúsítási mód jelenlétét a kimeneti karakterisztikában.

A lefolyó-kapu karakterisztikáján egyértelműen látható, hogy egy negatív feszültség okozza a kulcs kimerülését és bezárását, míg a kapun lévő pozitív feszültség a dúsítást és a kulcs nagyobb nyitását okozza.

Csatorna által indukált tranzisztorok

Az indukált csatornával rendelkező MOSFET-ek nem vezetnek áramot, ha nincs feszültség a kapun, vagy inkább van áram, de ez rendkívül kicsi, mert ez a visszatérő áram a hordozó és a lefolyó és a forrás erősen ötvözött területei között.

A terepi tranzisztor izolált kapuval és indukált csatornával egy normál nyitású kapcsoló analógja, áram nem áramlik.

Kapu-forrás feszültség jelenlétében, pl figyelembe vesszük az indukált csatorna n-típusát, a feszültség pozitív, negatív vivőket vonzza a kapu régióba a mező hatása.

Tehát van egy „folyosó” az elektronokhoz a forrástól a lefolyásig, tehát egy csatorna jelenik meg, a tranzisztor kinyílik, és az áram áthalad rajta. Van egy p-típusú szubsztrátunk, a legfontosabbak pozitív töltésű hordozók (lyukak), nagyon kevés negatív hordozó található, de a mező hatása alatt leválnak atomoktól és mozogni kezd. Ennélfogva a vezetőképesség hiánya feszültség hiányában.

jellemzői

A kimeneti karakterisztika pontosan megismétli ugyanazt a különbséget, mint az előzőek, csak az Uz feszültségek pozitívvá válnak.

A szoros kapu karakterisztikája ugyanazt mutatja, a kapu feszültségének különbségei ismét megjelennek.

Az áram-feszültség jellemzőinek figyelembevételekor rendkívül fontos, hogy körültekintően vizsgáljuk meg a tengelyek mentén írt értékeket.

modellezés

A kulcsra 12 V feszültséget alkalmazottunk, és nálunk volt 0. A kapunál az áram nem áramlik át a tranzisztoron.

Adjunk 1 voltot a kapuhoz, de az áram nem gondolta, hogy áramlik ...

Egy volt hozzáadásával azt tapasztaltam, hogy az áram 4V-ról kezd növekedni.

Újabb 1 volt hozzáadásával az áram hirtelen 1,129 A-ra nőtt.

Az adatlap megmutatja a tranzisztor nyitására szolgáló küszöbfeszültséget 2–4 voltos szakaszban, a kapu-kapu maximumát pedig –20 és +20 V között, további feszültség-növekedések nem adtak eredményt 20 voltos feszültségnél (nem voltam több milliamper Azt hiszem, ebben az esetben).

Ez azt jelenti, hogy a tranzisztor teljesen nyitott lenne, ha nem lenne, akkor az áramkör ebben az áramkörben 12/10 = 1,2 A lenne. Később megvizsgáltam, hogy működik ez a tranzisztor, és rájöttem, hogy 4 voltos feszültségnél nyitni kezd.

Hozzáadva mindegyik 0,1 V-ot, észrevettem, hogy minden tized volt mellett az áram egyre növekszik, és 4,6 V-os transzisztor szinte teljesen nyitva van. A 20 V kapu feszültségének különbsége a leeresztőáramban csak 41 mA, 1,1 A-nál ez nonszensz.

Ez a kísérlet tükrözi azt a tényt, hogy az indukált csatornával rendelkező tranzisztor csak akkor nyílik meg, amikor a küszöbfeszültséget elérik, ami lehetővé teszi, hogy tökéletesen működjön kulcsként az impulzusáramkörökben. Valójában az IRF740 az egyik leggyakoribb a tápegységek kapcsolójában.

A kapuáram mérésének eredményei azt mutatták, hogy a mezőhatású tranzisztorok szinte nem fogyasztanak vezérlőáramot. 4,6 voltos feszültségnél az áram csak 888 nA volt (nano !!!).

20 V feszültségnél 3,55 μA (mikro) volt. Egy bipoláris tranzisztor esetében 10 mA nagyságrendű lenne, az erősítéstől függően, amely több tízezer alkalommal több, mint egy mezőben.

Nem minden kulcs nyílik ilyen feszültséggel, ennek oka az eszközök áramköri felépítése és tulajdonságai, amelyekben használják.

Kulcsok használata szigetelt redőnyökkel

Két vezető, és közöttük dielektromos - mi ez? Ez egy tranzisztor, maga a kapu parazita kapacitással rendelkezik, lelassítja a tranzisztor váltásának folyamatát. Ezt Miller-fennsíknak hívják, általában ez a kérdés különálló komoly anyagot érdemel, pontos modellezéssel, más szoftver használatával (ezt a funkciót nem ellenőriztem multisim-ben).

Az első pillanatban a kiürített kapacitás nagy töltőáramot igényel, és a ritka vezérlőberendezések (PWM vezérlők és mikrovezérlők) erőteljes kimenettel rendelkeznek, tehát terelő redőnyök meghajtóit használják mind a terepi tranzisztorokban, mind a IGBT (bipoláris, elkülönített redőnyvel). Ez egy olyan erősítő, amely a bemenő jelet olyan nagyságú és áramszilárdságú kimenővé alakítja, amely elegendő a tranzisztor be- és kikapcsolásához. A töltőáramot egy ellenállás is korlátozza, amely sorosan kapcsolódik a kapuhoz.

Ugyanakkor egyes kapuk ellenállással (ugyanaz az IRF740) vezérelhetők a mikrovezérlő portjáról. Megérintettük ezt a témát. az arduino anyagciklusban.

Feltételes grafika

A terepi tranzisztorokra hasonlítanak egy vezérlő kapuval, de különböznek egymástól az UGO-nál, mivel maga a tranzisztor esetében a kaput elválasztják a hordozótól, és a közepén lévő nyíl jelzi a csatorna típusát, de a hordozóról a csatornára irányul, ha egy n-csatornás mosfet - a redőny felé és fordítva.

Indukált csatornával rendelkező kulcsok esetén:

Ez így néz ki:

Vigyázzon a következtetések angol nevére. Ezek gyakran szerepelnek az adatlapon és az ábrákon.

Beépített csatornával rendelkező kulcsok esetén: