Полевой транзистор схема управления нагрузкой постоянного тока

Полевой транзистор схема: эффективная регулировка нагрузки постоянного тока

Полевой транзистор схема, которого представлена в этой публикации способна управлять мощной постоянной нагрузкой также эффективно как и сборки Дарлингтона или биполярные транзисторы.

Полевой транзистор схема, которого 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 соорудить 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 I_D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10.

Следующий важный для тебя параметр это V_GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I_D от V_DS при разных значениях V_GS. 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=I 2 R. 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 t_on,t_off, 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

Драйвер двигателя на полевых сборках

Для построения драйвера маломощного двигателя при конструировании устройств автоматики или робототехники необязательно покупать специализированные микросхемы. Собрать достаточно мощное устройство управления можно и на простых полевых транзисторах, а еще лучше, на полевых комплементарных сборках.

Рисунок 1. Драйвер двигателя на транзисторных сборках

В качестве примера на рисунке 1 приведена схема драйвера на двух сборках IRF7105. Управление двигателем производится высоким уровнем (не менее половины напряжения питания) по входам «вправо», «влево». При отсутствии сигнала двигатель остановлен, наличие одновременно обоих сигналов не допускается.

Рисунок 2. Состав и цоколевка транзисторной сборки IRF7105

При использовании указанной сборки драйвер может управлять двигателем на напряжение до 12 В (максимльно допустимое напряжение исток-сток – 25 В) при токе в 1.5 А. Дроссели Др1 и Др2 – помехозащитные. Для их изготовления на ферритовые кольца диаметром 7-10 мм нужно намотать по 15 витков обмоточного провода диаметром 0.3 мм.

Рисунок 3. Драйвер двигателя на полевых транзисторах

Вполне очевидно, что подобный драйвер можно собрать и на отдельных полевых транзисторах (рисунок 3). Единственно, нужно брать приборы с индуцированным каналом, способные работать в режиме ключей и, конечно, они должны выдерживать ток и напряжение питания двигателя. Диоды VD1-VD4 защищают полевые транзисторы от обратного тока самоиндукции двигателя при его отключении.

Практические примеры схем на полевых транзисторах.

Сегодня для закрепления материала про полевики рассмотрим схемы на полевых транзисторах и обсудим принцип их работы. Предыдущие статьи про ПТ вот тут – раз и два. Начнем!

Схема истокового повторителя.

Биполярным аналогом этого устройства является эмиттерный повторитель (о нем шла речь тут). Вот как выглядит простейший повторитель на полевом транзисторе:

Ну давайте разбираться что же и как этот повторитель повторяет 🙂 Напряжение на выходе:

Ток стока мы можем определить через напряжение затвор-исток следующим образом:

Подставляем i_с в формулу для U_и и получаем вот что:

И если сопротивление нагрузки R_1 намного превышает величину \frac<1> , то мы получаем довольно-таки хороший повторитель ( U_з = U_и ).

Но у этой схемы есть парочка существенных недостатков. Во-первых, характеристики полевого транзистора трудно поддаются контролю при изготовлении, поэтому такой истоковый повторитель может иметь непредсказуемое смещение по постоянному току. А во-вторых, такой повторитель имеет довольно-таки большое выходное сопротивление, соответственно, амплитуда выходного сигнала все-таки будет меньше, чем амплитуда сигнала на входе.

Более качественный повторитель получается при использовании согласованных пар транзисторов. Такая схема выглядит следующим образом:

Рассмотрим работу данной схемы. Полевик Q2 задает определенный ток. Этот ток соответствует напряжению затвор-исток, равному нулю. Транзисторы включены последовательно, значит через Q1 течет такой же ток, а так как полевики абсолютно одинаковые, то и для Q1 напряжение затвор-исток равно нулю. В то же время:

Вот и получаем, что U_ <вх>= U_ <вых>, то есть напряжение на выходе повторяет сигнал на входе.

Эту схему истокового повторителя можно еще модернизировать, добавив резисторы в цепь истока. С помощью подбора их значений можно установить разные значения тока стока:

На этом заканчиваем с истоковыми повторителями и переходим к некоторым другим схемам на полевых транзисторах 🙂

Схема ключа на полевом транзисторе.

Здесь мы видим n-канальный МОП-транзистор. При заземленном затворе полевик находится в закрытом состоянии и, соответственно, входной сигнал не проходит на выход. Если подать на затвор напряжение, например, +10 В, то транзистор перейдет в открытое состояние и сигнал практически беспрепятственно пройдет на выход.

Тут особо и объяснять нечего 🙂

Теперь перейдем к логическим элементам (вентилям) на МОП-транзисторах. И начнем с вариантов исполнения логического инвертора. Посмотрите на схемку:

Что вообще должен делать инвертор? Очевидно, что инвертировать сигнал 🙂 То есть подаем на вход сигнал низкого уровня, на выходе получаем высокий уровень и наоборот.

Давайте смотреть как это все работает. Если на входе низкий уровень сигнала, то n-канальный МОП-транзистор закрыт, ток через резистор нагрузки не течет, соответственно, все напряжение Vcc оказывается на выходе. А если на входе высокий уровень, то ПТ во включенном состоянии проводит ток, при этом на нагрузке появляется напряжение, а потенциал стока (выходной сигнал) практически равен нулю (низкий уровень). Вот так вот эта схема и работает.

Рассмотрим еще один вариант инвертора, но уже с использованием p-канального ПТ:

Работает эта схема аналогично схеме инвертора на n-канальном транзисторе, поэтому останавливаться на этом не будем.

Есть один большой минус у обеих этих схем – это высокое выходное сопротивление. Можно, конечно, уменьшать R_1 , но при это рассеиваемая мощность будет увеличиваться (она обратно пропорциональна квадрату сопротивления). Как вы понимаете, в этом нет ничего хорошего. Отличной альтернативой этим схемам инверторов является схема на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП). Она имеет следующий вид:

Итак, пусть у нас на входе сигнал высокого уровня. Тогда p-канальный МОП-транзистор Q2 будет выключен, а Q1, напротив, будет во включенном состоянии. При этом на выходе будет сигнал низкого уровня. А что если на входе низкий уровень? А тогда наоборот Q1 будет выключен, а Q2 включен, и на выходе окажется сигнал высокого уровня. Вот и все 🙂

Пожалуй, рассмотрим теперь еще одну схемку на полевиках – схему логического вентиля И-НЕ. Этот вентиль имеет два входа и один выход, и и низкий уровень должен быть на выходе только в том случае, когда на оба входа подан сигнал высокого уровня. Во всех остальных случаях на выходе сигнал высокого уровня.

Смотрите, как это работает. Если на Входе 1 и Входе 2 высокий уровень, то оба n-канальных транзистора Q1 и Q2 проводят ток, а p-канальные Q3 и Q4 закрыты, и на выходе окажется сигнал низкого уровня. Если на одном из входов сигнал низкого уровня, то один из транзисторов Q3, Q4 открыт, а, соответственно, один из транзисторов Q2, Q1 закрыт. Тогда цепь Q1 – Q2 – земля разомкнута, а на выход через открытый транзистор Q3 или Q4 попадает напряжение высокого уровня. Вот и получается, что низкий уровень на выходе возможен только если на обоих входах сигнал высокого уровня.

Заканчиваем на этом разговор о полевых транзисторах 🙂 Мы сегодня рассмотрели схемы на полевых транзисторах и кроме того разобрались как они работают. Так что до скорых встреч на нашем сайте!