kategorier: Utvalgte artikler » Praktisk elektronikk
Antall visninger: 174,150
Kommentarer til artikkelen: 6
Felteffekttransistorer: prinsipp for drift, kretsløp, driftsmodus og modellering
Vi har allerede gjennomgått enhet av bipolare transistorer og deres arbeidLa oss nå finne ut hva felteffekttransistorer er. Felteffekttransistorer er veldig vanlige i både gamle kretsløp og moderne. I dag brukes enheter med en isolert port i større grad, vi vil snakke om typene felteffekttransistorer og deres funksjoner i dag. I artikkelen vil jeg gjøre sammenligninger med bipolare transistorer på separate steder.
definisjon
En felteffekttransistor er en halvleder helt kontrollerbar nøkkel styrt av et elektrisk felt. Dette er den viktigste forskjellen fra synspunktet om praksis fra bipolare transistorer, som styres av strøm. Et elektrisk felt skapes av en spenning påført porten i forhold til kilden. Polariteten til kontrollspenningen avhenger av typen transistorkanal. Det er en god analogi med elektroniske vakuumrør.
Et annet navn for felteffekttransistorer er unipolar. "UNO" betyr en. Avhengig av kanaltype utføres strømmen i felteffekttransistorer bare av en type bærer av hull eller elektroner. I bipolare transistorer ble strømmen dannet fra to typer ladebærere - elektroner og hull, uavhengig av type enheter. Felteffekttransistorer i generelt tilfelle kan deles inn i:
-
transistorer med et kontroll-pn-kryss;
-
isolerte porttransistorer.
Begge kan være n-kanal og p-kanal, en positiv styringsspenning må tilføres porten til førstnevnte for å åpne nøkkelen, og for sistnevnte, negativ med hensyn til kilden.
Alle typer felteffekttransistorer har tre utganger (noen ganger 4, men sjelden møtte jeg bare i sovjet, og det var koblet til saken).
1. Kilde (bærerkilde, bipolar emitteranalog).
2. Stoke (en kilde med ladningsbærere fra kilden, en analog av samleren til en bipolar transistor).
3. Lukker (kontrollelektrode, analog rutenett på lamper og baser på bipolare transistorer).
PN Transistor Transistor
Transistoren består av følgende områder:
1. Kanal;
2. Lager;
3. Kilden;
4. Lukker.
På bildet ser du en skjematisk struktur av en slik transistor, konklusjonene er koblet til de metalliserte seksjonene av porten, kilden og avløpet. I en spesifikk krets (dette er en p-kanals enhet) er porten et n-lag, har mindre resistivitet enn kanalområdet (p-laget), og p-n-kryssområdet er mer lokalisert i p-regionen av denne grunn.
Betinget grafisk betegnelse:
a - felt-effekt transistor n-type, b - felt-effekt transistor p-type
For å gjøre det lettere å huske, husk betegnelsen på dioden, der pilen peker fra p-regionen til n-regionen. Også her.
Den første tilstanden er å bruke ekstern spenning.
Hvis spenning tilføres en slik transistor, pluss til avløp, og minus til kilden, strømmer en stor strøm gjennom den, vil den bare være begrenset av kanalmotstanden, ytre motstand og indre motstand fra kraftkilden. Du kan tegne en analogi med en normalt lukket nøkkel. Denne strømmen kalles Istart eller den opprinnelige avløpsstrømmen ved Us = 0.
En felteffekttransistor med en pn-kryssstyring, uten påført styringsspenning til porten, er så åpen som mulig.
Spenningen til avløpet og kilden påføres på denne måten:
Hovedladningsbærerne introduseres gjennom kilden!
Dette betyr at hvis transistoren er p-kanal, så blir den positive utgangen fra kraftkilden koblet til kilden, fordi hovedbærerne er hull (positive ladningsbærere) - dette er den såkalte hullledningsevnen.Hvis n-kanals transistoren er koblet til kilden, vil den negative effekten fra strømkilden, fordi i den er de viktigste ladningsbærerne elektroner (negative ladningsbærere).
Kilden er kilden til hovedladningsbærerne.
Her er resultatene av modellering av en slik situasjon. På venstre side er en p-kanal, og til høyre en n-kanals transistor.
Den andre tilstanden - bruk spenning på lukkeren
Når en positiv spenning tilføres porten i forhold til kilden (Us) for p-kanalen og negativ for n-kanalen, forskyves den i motsatt retning, og p-n-kryssområdet utvides mot kanalen. Som et resultat av at kanalbredden avtar, synker strømmen. Portens spenning som strømmen gjennom nøkkelen stopper å strømme på kalles avstandsspenningen.
Nøkkelen begynner å lukke.
Avstandsspenningen er nådd og nøkkelen er helt lukket. Bildet med simuleringsresultatene viser en slik tilstand for p-kanal (venstre) og n-kanal (høyre) tastene. Forresten, på engelsk kalles en slik transistor JFET.
Driftsmodus
Driftsmodusen til transistoren med en spenning Uзи er enten null eller revers. På grunn av bakspenningen kan du "dekke transistoren", den brukes i forsterkere i klasse A og andre kretsløp der jevn regulering er nødvendig.
Avskjæringsmodus oppstår når Uzi = U avskjæring for hver transistor er den forskjellig, men i alle tilfeller brukes den i motsatt retning.
Kjennetegn, CVC
En utgangskarakteristikk er en graf som viser avhengigheten av avløpsstrømmen på Uci (brukt på terminalene til avløpet og kilden) ved forskjellige portspenninger.
Kan deles inn i tre områder. I begynnelsen (på venstre side av grafen) ser vi det ohmiske området - i dette intervallet oppfører transistoren seg som en motstand, strømmen øker nesten lineært, når den når et visst nivå, går inn i metningsområdet (i midten av grafen).
I høyre del av grafen ser vi at strømmen begynner å vokse igjen, dette er nedbrytningsområdet, her skal ikke transistoren være lokalisert. Den øverste grenen vist på figuren er strømmen på null Us, vi ser at strømmen her er den største.
Jo høyere spenning Uzi, desto lavere avløpsstrøm. Hver av grenene skiller seg med 0,5 volt ved porten. Det vi bekreftet med modellering.
Dreneringsportens karakteristikk, dvs. avhengighet av avløpsstrøm på portspenningen ved den samme drens-kildespenningen (i dette eksempelet 10V), her er nettstigningen også 0,5V, vi ser igjen at jo nærmere spenningen Uzi er 0, jo større er avløpsstrømmen.
I bipolare transistorer var det en slik parameter som gjeldende overføringskoeffisient eller forsterkning, den ble betegnet som B eller H21e eller Hfe. I felt brukes brattheten til å vise muligheten til å øke spenningen.Det er indikert med bokstaven S
S = diC / dU
Det vil si at brattheten viser hvor mye milliamper (eller ampere) avløpsstrømmen vokser med en økning i portkildespenningen med antall volt med en uendret drens-kildespenning. Det kan beregnes på grunnlag av gate-gate-karakteristikken; i eksemplet ovenfor er skråningen omtrent 8 mA / V.
Bytteordninger
Som bipolare transistorer er det tre typiske koblingsskjemaer:
1. Med en felles kilde (a). Det brukes oftest, gir gevinst i strøm og kraft.
2. Med en vanlig lukker (b). Sjelden brukt, lav inngangsimpedans, ingen forsterkning.
3. Med en total avløp (c). Spenningsforsterkningen er nær 1, inngangsimpedansen er stor, og utgangsimpedansen er lav. Et annet navn er en kilde-tilhenger.
Funksjoner, fordeler, ulemper
-
Den største fordelen med felteffekttransistor høy inngangsimpedans. Inngangsmotstand er forholdet mellom strøm og portkildespenning. Prinsippet om drift ligger i kontrollen ved bruk av et elektrisk felt, og det dannes når spenning tilføres. Det er det felteffekttransistorer.
-
Felteffekttransistor bruker praktisk talt ikke kontrollstrømmen, det er det reduserer kontrolltapet, signalforvrengning, gjeldende overbelastning av signalkilden ...
-
Gjennomsnittlig frekvens Felt-effekt-transistorer gir bedre resultater enn bipolarDette skyldes det faktum at det kreves mindre tid for "resorpsjon" av ladningsbærere i områdene til en bipolar transistor. Noen moderne bipolare transistorer kan til og med overgå feltfelter, dette skyldes bruken av mer avanserte teknologier, reduserer bredden på basen og mer.
-
Det lave støynivået for felteffekttransistorer skyldes fraværet av en ladningsinjiseringsprosess, som i bipolare.
-
Stabilitet med temperatur.
-
Lavt strømforbruk i ledende tilstand - større effektivitet for enhetene dine.
Det enkleste eksemplet på bruk av høy inngangsimpedans er samsvarende enheter for tilkobling av elektroakustiske gitarer med piezo-pickuper og elektriske gitarer med elektromagnetiske pickuper til linjeinnganger med lav inngangsimpedans.
En lav inngangsimpedans kan forårsake et fall i inngangssignalet, og forvrenge formen i varierende grad, avhengig av signalets frekvens. Dette betyr at du må unngå dette ved å innføre en kaskade med høy inngangsimpedans. Her er det enkleste diagrammet av en slik enhet. Egnet for å koble elektriske gitarer til linjeinngangen på datamaskinens lydkort. Med den blir lyden lysere, og klokken er rikere.
Den største ulempen er at slike transistorer er redde for statisk. Du kan ta et element med dine elektrifiserte hender, og det vil umiddelbart mislykkes, dette er en konsekvens av å styre nøkkelen ved å bruke feltet. De anbefales å jobbe med dem i dielektriske hansker, koblet gjennom et spesielt armbånd til bakken, med et lavspent loddejern med en isolert spiss, og transistorkablene kan bindes med ledning for å kortslutte dem under installasjonen.
Moderne enheter er praktisk talt ikke redde for dette, fordi ved inngangen til dem kan beskyttelsesinnretninger som zeneraldioder bygges inn, som fungerer når spenningen overskrides.
Noen ganger, for nybegynnere radioamatører, når frykten poenget med absurditet, for eksempel å sette foliehetter på hodet. Alt beskrevet ovenfor, selv om det er obligatorisk, men ikke overholder noen betingelser, garanterer ikke enhetens feil.
Isolerte portfelteffekttransistorer
Denne typen transistor brukes aktivt som en halvlederkontrollert nøkkel. Dessuten fungerer de oftest i nøkkelmodus (to stillinger “på” og “av”). De har flere navn:
1. MOS-transistor (metall-dielektrisk halvleder).
2. MOS-transistor (metalloksid-halvleder).
3. MOSFET transistor (metalloksyd-halvleder).
Husk - dette er bare varianter av samme navn. Dielektrikum, eller som det også kalles oksid, spiller rollen som en isolator for porten. I diagrammet nedenfor vises en isolator mellom n-området nær lukkeren og skodden i form av en hvit sone med prikker. Den er laget av silisiumdioksid.
Dielektrikum eliminerer elektrisk kontakt mellom portelektroden og underlaget. I motsetning til kontroll-pn-krysset fungerer det ikke på prinsippet om å utvide overgangen og kanaloverlapping, men på prinsippet om å endre konsentrasjonen av ladningsbærere i halvlederen under påvirkning av et eksternt elektrisk felt. MOSFET-er er av to typer:
1. Med integrert kanal.
2. Med indusert kanal
Kanalintegrerte transistorer
I diagrammet ser du en transistor med en integrert kanal. Man kan allerede gjette fra det at prinsippet for dens drift ligner en felteffekttransistor med et kontroll-p-n-kryss, d.v.s. når portens spenning er null, strømmer strøm gjennom bryteren.
I nærheten av kilden og vasken opprettes to regioner med høyt innhold av urenhetsladningsbærere (n +) med økt ledningsevne. Et underlag er en base av P-type (i dette tilfellet).
Vær oppmerksom på at krystallen (underlaget) er koblet til kilden, den er tegnet på mange konvensjonelle grafiske symboler.Når portspenningen øker, oppstår et tverrgående elektrisk felt i kanalen, den avviser ladningsbærere (elektroner), og kanalen lukkes når terskelverdien UZ er nådd.
Driftsmodus
Når en negativ gate-kildespenning tilføres, synker avløpsstrømmen, transistoren begynner å lukke - dette kalles mager-modus.
Når en positiv spenning tilføres til portkilden, skjer den omvendte prosessen - elektronene tiltrekkes, strømmen øker. Dette er en berikelsesmodus.
Alt dette er tilfelle for MOS-transistorer med en integrert N-type kanal. Hvis p-typen kanal erstatter alle ordene “elektroner” med “hull”, blir polariteten til spenningen snudd.
modellering
Transistor med innebygd n-type kanal med null portspenning:
Vi bruker -1V på lukkeren. Strømmen falt med 20 ganger.
I følge databladet for denne transistoren har vi en terskel for portkildespenning i området til en volt, og dens typiske verdi er 1,2 V, sjekk dette.
Strømmen har blitt i mikrokamper. Hvis du øker spenningen litt mer, vil den forsvinne helt.
Jeg valgte en transistor tilfeldig, og jeg kom over et ganske følsomt apparat. Jeg skal prøve å endre spenningens polaritet slik at porten har et positivt potensial, vi vil sjekke berikelsesmodus.
Ved en portspenning på 1 V økte strømmen fire ganger, sammenlignet med hva den var på 0 V (første bildet i dette avsnittet). Det følger av at den, i motsetning til den forrige typen transistorer og bipolare transistorer, kan fungere både for å øke strømmen og å redusere uten ytterligere spenning. Denne uttalelsen er veldig frekk, men har i en første tilnærming rett til å eksistere.
kjennetegn
Her er alt nesten det samme som i en transistor med en kontrollovergang, bortsett fra tilstedeværelsen av en berikelsesmodus i utgangskarakteristikken.
På karakteristikken for dreneringsporten ser man tydelig at en negativ spenning får modusen til å tømme ut og lukke nøkkelen, og en positiv spenning på lukkeren medfører berikelse og større åpning av nøkkelen.
Kanalinduserte transistorer
MOSFET-er med en indusert kanal leder ikke strøm når det ikke er spenning i porten, eller rettere sagt, det er strøm, men det er ekstremt lite, fordi dette er returstrømmen mellom underlaget og de høyt legerte områdene i avløpet og kilden.
Felt-effekt transistor med en isolert port og en indusert kanal er en analog av en normalt åpen bryter, strøm strømmer ikke.
I nærvær av en portkildespenning, som vi vurderer n-typen til den induserte kanalen, at spenningen er positiv, negative bærere blir tiltrukket av portområdet av feltets handling.
Så det er en "korridor" for elektroner fra kilde til avløp, så det vises en kanal, transistoren åpnes, og strøm begynner å strømme gjennom den. Vi har et p-type underlag, de viktigste i det er positive ladningsbærere (hull), det er veldig få negative bærere, men under påvirkning av feltet løsner de seg fra atomene og bevegelsen deres begynner. Derav mangel på ledningsevne i fravær av spenning.
kjennetegn
Utgangskarakteristikken gjentar nøyaktig den samme forskjellen fra de forrige, bare at spenningene Uz blir positive.
Lukkportens karakteristikk viser det samme, forskjellene igjen i portspenningene.
Når man vurderer strømspenningskarakteristikkene, er det ekstremt viktig å se nøye på verdiene som er skrevet langs aksene.
modellering
En spenning på 12 V ble påført nøkkelen, og vi hadde 0. Ved porten strømmer ikke strøm gjennom transistoren.
Legg til 1 volt i porten, men strømmen tenkte ikke å fly ...
Ved å legge til en volt, fant jeg ut at strømmen begynner å vokse fra 4v.
Ved å legge til ytterligere 1 Volt økte strømmen kraftig til 1.129 A.
Databladet angir terskelspenningen for å åpne denne transistoren i en seksjon fra 2 til 4 volt, og maksimum på en gate-to-gate fra -20 til +20 V, ytterligere spenningsforøk ga ikke resultater ved 20 volt (jeg gjorde ikke flere milliamp Jeg tror i dette tilfellet).
Dette betyr at transistoren ville være helt åpen, hvis den ikke var det, ville strømmen i denne kretsen være 12/10 = 1,2 A. Senere studerte jeg hvordan denne transistoren fungerer, og fant ut at ved 4 volt den begynner å åpne seg.
Ved å legge 0,1V hver, la jeg merke til at med hver tiendedel av volten vokser strømmen mer og mer, og med 4,6 volt er transistoren nesten helt åpen, forskjellen med portspenningen på 20V i avløpsstrømmen er bare 41 mA, ved 1,1 A den tull.
Dette eksperimentet gjenspeiler det faktum at transistoren med en indusert kanal bare åpnes når terskelspenningen er nådd, noe som gjør at den kan fungere perfekt som en nøkkel i pulskretser. Egentlig er IRF740 en av de vanligste i å bytte strømforsyninger.
Resultatene fra målinger av portstrømmen viste at felteffekttransistorer nesten ikke bruker kontrollstrøm. Ved en spenning på 4,6 volt var strømmen bare 888 nA (nano !!!).
Ved en spenning på 20V var den 3,55 μA (mikro). For en bipolar transistor vil den være i størrelsesorden 10 mA, avhengig av forsterkningen, som er titusenvis av ganger mer enn en felt.
Ikke alle nøkler åpnes av slike spenninger, dette skyldes designen og funksjonene i kretsløpet til enhetene der de brukes.
Funksjoner ved bruk av nøkler med en isolert skodde
To ledere, og mellom dem et dielektrikum - hva er det? Dette er en transistor, selve porten har en parasittisk kapasitans, den bremser prosessen med å skifte transistor. Dette kalles Miller Plateau, generelt er dette spørsmålet verdig et eget alvorlig materiale med nøyaktig modellering, ved bruk av annen programvare (sjekket ikke denne funksjonen i multisim).
En utladet kapasitet på det første øyeblikket krever stor ladestrøm, og sjeldne kontrollenheter (PWM-kontrollere og mikrokontrollere) har sterke utganger, så de bruker drivere for feltluker, både i felteffekttransistorer og i IGBT (bipolar med en isolert skodde). Dette er en slik forsterker som konverterer inngangssignalet til en utgang med en slik størrelse og strømstyrke, tilstrekkelig til å slå transistoren av og på. Ladestrømmen er også begrenset av en motstand som er seriekoblet med porten.
Samtidig kan noen porter styres fra mikrokontrollporten gjennom en motstand (samme IRF740). Vi berørte dette emnet. i arduino-materialets syklus.
Betinget grafikk
De ligner felteffekttransistorer med en kontrollgate, men skiller seg fra hverandre på at på UGO, som i selve transistoren, er porten atskilt fra underlaget, og pilen i midten indikerer typen kanal, men ledes fra underlaget til kanalen, hvis det er en n-kanal mosfet - mot lukkeren og omvendt.
For nøkler med indusert kanal:
Det kan se slik ut:
Vær oppmerksom på de engelske navnene på konklusjonene, de er ofte angitt på databladet og på diagrammene.
For nøkler med en innebygd kanal:
Se også på elektrohomepro.com
: