kategorier: Udvalgte artikler » Praktisk elektronik
Antal visninger: 174.150
Kommentarer til artiklen: 6
Felteffekttransistorer: driftsprincip, kredsløb, driftstilstande og modellering
Vi har allerede gennemgået enhed med bipolære transistorer og deres funktionLad os nu finde ud af, hvad felteffekttransistorer er. Felteffekttransistorer er meget almindelige i både gamle kredsløb og moderne. I dag bruges enheder med en isoleret port i større grad, vi vil tale om typerne af felteffekttransistorer og deres funktioner i dag. I artiklen vil jeg foretage sammenligninger med bipolære transistorer forskellige steder.
definition
En felteffekttransistor er en halvleder, der er fuldt styrbar nøgle styret af et elektrisk felt. Dette er den største forskel set fra praksis set fra bipolære transistorer, der styres af strømmen. Et elektrisk felt oprettes af en spænding, der påføres porten i forhold til kilden. Polariteten af styrespændingen afhænger af typen af transistorkanal. Der er en god analogi med elektroniske vakuumrør.
Et andet navn på felteffekttransistorer er unipolar. "UNO" betyder en. Afhængig af kanaltypen udføres strømmen i felteffekttransistorer kun af en type bærer med huller eller elektroner. I bipolære transistorer blev strømmen dannet af to typer ladningsbærere - elektroner og huller, uanset typen af enheder. Felteffekttransistorer i det generelle tilfælde kan opdeles i:
-
transistorer med et kontrol-pn-kryds;
-
isolerede porttransistorer.
Begge kan være n-kanal og p-kanal, en positiv styringsspænding skal påføres porten til førstnævnte for at åbne nøglen og for sidstnævnte negativ med hensyn til kilden.
Alle typer felteffekttransistorer har tre output (undertiden 4, men sjældent mødte jeg kun i sovjet, og det var forbundet med sagen).
1. Kilde (transportørskilde, bipolær emitteranalog).
2. Stoke (en kilde til ladningsbærere fra kilden, en analog til samleren af en bipolær transistor).
3. Lukker (kontrolelektrode, analog til et gitter på lamper og baser på bipolære transistorer).
PN Transistor Transistor
Transistoren består af følgende områder:
1. Kanal;
2. Lager;
3. Kilden;
4. Lukker.
På billedet ser du en skematisk struktur af en sådan transistor, fundene er forbundet med de metalliserede sektioner af porten, kilden og drænet. I et specifikt kredsløb (dette er en p-kanalindretning) er porten et n-lag, har mindre resistivitet end kanalområdet (p-laget), og p-n-forbindelsesområdet er mere placeret i p-regionen af denne grund.
Betinget grafisk betegnelse:
a - felt-effekt-transistor n-type, b - felt-effekt-transistor p-type
For at gøre det lettere at huske skal du huske betegnelsen på dioden, hvor pilen peger fra p-regionen til n-regionen. Også her.
Den første tilstand er at anvende ekstern spænding.
Hvis der tilføres en spænding til en sådan transistor plus til drænet og minus til kilden, når en stor strøm strømmer gennem den, vil den kun være begrænset af kanalmodstanden, den eksterne modstand og den indre modstand af strømkilden. Du kan tegne en analogi med en normalt lukket nøgle. Denne strøm kaldes Istart eller den indledende dræningsstrøm ved Us = 0.
En felteffekttransistor med en pn-overgangsstyring uden den påførte styrespænding til porten er så åben som muligt.
Spændingen til afløbet og kilden påføres på denne måde:
De vigtigste ladningsbærere introduceres gennem kilden!
Dette betyder, at hvis transistoren er p-kanal, så er den positive udgang fra strømkilden forbundet til kilden, fordi de vigtigste bærere er huller (positive ladningsbærere) - dette er den såkaldte hulledningsevne.Hvis n-kanal transistoren er tilsluttet kilden, er den negative udgang fra strømkilden, fordi i det er de vigtigste ladningsbærere elektroner (negative ladningsbærere).
Kilden er kilden til de vigtigste ladningsbærere.
Her er resultaterne af modellering af en sådan situation. Til venstre er en p-kanal, og til højre er en n-kanals transistor.
Den anden tilstand - påfør spænding til lukkeren
Når en positiv spænding påføres porten i forhold til kilden (Us) for p-kanalen og negativ for n-kanalen, skifter den i den modsatte retning, p-n-krydsområdet udvides mod kanalen. Som et resultat af hvilket kanalbredden aftager, falder strømmen. Den portspænding, hvor strømmen gennem nøglen stopper med at strømme, kaldes afskæringsspændingen.
Nøglen begynder at lukke.
Frakoblingsspændingen nås, og nøglen er helt lukket. Billedet med simuleringsresultaterne viser en sådan tilstand for p-kanal (venstre) og n-kanal (højre) tasterne. Forresten, på engelsk kaldes en sådan transistor JFET.
Driftsformer
Driftsformen for transistoren med en spænding Uзи er enten nul eller omvendt. På grund af omvendt spænding kan du "dække transistoren", den bruges i forstærkere i klasse A og andre kredsløb, hvor jævn regulering er nødvendig.
Afskærmningstilstand opstår, når Uzi = U-afbrydelse for hver transistor, den er forskellig, men i alle tilfælde anvendes den i den modsatte retning.
Egenskaber, CVC
En udgangskarakteristik er en graf, der viser afhængigheden af dræningsstrømmen på Uci (anvendt på terminalerne på drænet og kilden) ved forskellige portspændinger.
Kan opdeles i tre områder. I begyndelsen (på venstre side af grafen) ser vi det ohmiske område - i dette interval opfører transistoren sig som en modstand, strømmen stiger næsten lineært, når den når et bestemt niveau, går ind i mætningsområdet (i midten af grafen).
I højre del af grafen ser vi, at strømmen begynder at vokse igen, dette er nedbrydningsregionen, her skal transistoren ikke være placeret. Den øverste gren, der er vist på figuren, er den nuværende ved nul Us, vi ser, at strømmen her er den største.
Jo højere spænding Uzi er, jo lavere er dræningsstrømmen. Hver af grenene adskiller sig med 0,5 volt ved porten. Hvad vi bekræftede ved modellering.
Dreneringsportens karakteristik, dvs. afhængighed af dræningsstrømmen på portspændingen ved den samme dræningskilde-spænding (i dette eksempel 10V), her er gitterhøjden også 0,5V, vi ser igen, at jo tættere spændingen Uzi er 0, jo større er dræningsstrømmen.
I bipolære transistorer var der en parameter som den aktuelle overførselskoefficient eller forstærkning, den blev betegnet som B eller H21e eller Hfe. I marken bruges stejlheden til at vise evnen til at øge spændingen.Det er angivet med bogstavet S
S = diC / dU
Det vil sige, at stejlheden viser, hvor meget milliamps (eller ampere) dræningsstrømmen vokser med en stigning i portkildespændingen med antallet af volt med en uændret drænkildespænding. Det kan beregnes på baggrund af gate-gate-karakteristikken; i ovenstående eksempel er skråningen ca. 8 mA / V.
Skifteordninger
Ligesom bipolære transistorer er der tre typiske ledningsdiagrammer:
1. Med en fælles kilde (a). Det bruges oftest, giver gevinst i strøm og magt.
2. Med en fælles lukker (b). Sjældent brugt, lav inputimpedans, ingen forstærkning.
3. Med en total dræning (c). Spændingsforstærkningen er tæt på 1, indgangsimpedansen er stor, og udgangsimpedansen er lav. Et andet navn er en kilde-følger.
Funktioner, fordele, ulemper
-
Den største fordel ved felteffekttransistor høj inputimpedans. Indgangsmodstand er forholdet mellem strøm og portkildespænding. Funktionsprincippet ligger i styringen ved hjælp af et elektrisk felt, og det dannes, når der tilføres spænding. Det er det felteffekttransistorer.
-
Felteffekttransistor bruger praktisk talt ikke kontrolstrøm, det er det reducerer kontroltab, signalforvrængning, nuværende overbelastning af signalkilden ...
-
Gennemsnitlig frekvens Felt-effekt-transistorer fungerer bedre end bipolar, dette skyldes det faktum, at der kræves mindre tid til "resorption" af ladningsbærere i områderne af en bipolar transistor. Nogle moderne bipolære transistorer kan endda overgå feltfelter, dette skyldes brugen af mere avancerede teknologier, reducering af basens bredde og mere.
-
Det lave støjniveau for felteffekttransistorer skyldes fraværet af en ladningsinjektionsproces som i bipolære.
-
Stabilitet med temperatur.
-
Lavt strømforbrug i ledende tilstand - større effektivitet på dine enheder.
Det enkleste eksempel på anvendelse af høj indgangsimpedans er matchende enheder til tilslutning af elektroakustiske guitarer med piezo-pickupper og elektriske guitarer med elektromagnetiske pickupper til linjeindgange med lav indgangsimpedans.
En lav indgangsimpedans kan forårsage et fald i indgangssignalet og forvrænge dets form i forskellige grader afhængigt af signalets frekvens. Dette betyder, at du skal undgå dette ved at indføre en kaskade med høj inputimpedans. Her er det enkleste diagram over en sådan enhed. Velegnet til tilslutning af elektriske guitarer til linjeindgangen på computerens lydkort. Med det vil lyden blive lysere, og klokken bliver rigere.
Den største ulempe er, at sådanne transistorer er bange for statiske. Du kan tage et element med dine elektrificerede hænder, og det vil med det samme mislykkes, dette er en konsekvens af at styre nøglen ved hjælp af feltet. De anbefales at arbejde sammen med dem i dielektriske handsker, forbundet via et specielt armbånd til jorden, med et lavspændingsloddejern med en isoleret spids, og transistorledningerne kan bindes med ledning for at kortslutte dem under installationen.
Moderne apparater er praktisk talt ikke bange for dette, for ved indgangen til dem kan der indbygges beskyttelsesanordninger som zener-dioder, der fungerer, når spændingen overskrides.
Nogle gange når frygt for amatører for nybegynder, når frygt til det absurde punkt, såsom at sætte foliehætter på hovedet. Alt beskrevet ovenfor, selvom det er obligatorisk, men ikke overholder nogen betingelser, garanterer ikke enhedens fejl.
Isolerede gate felteffekttransistorer
Denne type transistor bruges aktivt som en halvlederstyret nøgle. Derudover fungerer de oftest i tastetilstand (to positioner “til” og “slukket”). De har flere navne:
1. MOS-transistor (metal-dielektrisk halvleder).
2. MOS-transistor (metaloxid-halvleder).
3. MOSFET-transistor (metaloxid-halvleder).
Husk - dette er bare variationer med samme navn. Det dielektrikum, eller som det også kaldes oxid, spiller rollen som en isolator for porten. I nedenstående diagram er en isolator vist mellem n-området nær skodden og skodden i form af en hvid zone med prikker. Det er lavet af siliciumdioxid.
Dielektrikeren eliminerer elektrisk kontakt mellem portelektroden og underlaget. I modsætning til kontrol-pn-krydset fungerer det ikke på princippet om at udvide krydset og overlappe kanalen, men på princippet om at ændre koncentrationen af ladningsbærere i halvlederen under påvirkning af et eksternt elektrisk felt. MOSFET'er er af to typer:
1. Med integreret kanal.
2. Med induceret kanal
Kanalintegrerede transistorer
I diagrammet ser du en transistor med en integreret kanal. Man kan allerede gætte ud fra det, at princippet for dens drift ligner en felteffekttransistor med et kontrol-p-n-kryds, dvs. når portens spænding er nul, strømmer strøm gennem kontakten.
I nærheden af kilden og vasken oprettes to regioner med et højt indhold af urenhedsladningsbærere (n +) med øget ledningsevne. Et underlag er en base af P-type (i dette tilfælde).
Bemærk, at krystallet (underlaget) er forbundet til kilden, det er tegnet på mange konventionelle grafiske symboler.Når portspændingen stiger, opstår der et tværgående elektrisk felt i kanalen, det afviser ladningsbærere (elektroner), og kanalen lukker, når tærskelværdien Uz nås.
Driftsformer
Når der påføres en negativ gate-source-spænding, falder drænstrømmen, transistoren begynder at lukke - dette kaldes lean mode.
Når en positiv spænding påføres til portkilden, forekommer den omvendte proces - elektronerne tiltrækkes, strømmen stiger. Dette er en berigelsestilstand.
Alt det ovenstående gælder for MOS-transistorer med en integreret N-type kanal. Hvis p-typen kanal erstatter alle ordene "elektroner" med "huller", vendes spændingspolariteten.
modellering
Transistor med indbygget n-type kanal med nul gate spænding:
Vi anvender -1V på lukkeren. Strømmen faldt med 20 gange.
I henhold til databladet for denne transistor har vi en tærskel til portkildespænding i området for en volt, og dens typiske værdi er 1,2 V, kontroller dette.
Strømmen er blevet i mikroamper. Hvis du øger spændingen lidt mere, forsvinder den helt.
Jeg valgte en transistor tilfældigt, og jeg stødte på en forholdsvis følsom enhed. Jeg vil forsøge at ændre spændingens polaritet, så porten har et positivt potentiale, vi tjekker berigelsesmodus.
Ved en portspænding på 1 V steg strømmen fire gange sammenlignet med hvad den var ved 0 V (første billede i dette afsnit). Det følger heraf, at det, i modsætning til den tidligere type transistorer og bipolære transistorer, kan fungere både for at øge strømmen og at reducere uden yderligere bånd. Denne erklæring er meget uhøflig, men har i en første tilnærmelse ret til at eksistere.
karakteristika
Her er alt næsten det samme som i en transistor med en kontrolovergang, bortset fra tilstedeværelsen af en berigelse i output-karakteristikken.
På drænportens karakteristik ses det tydeligt, at en negativ spænding forårsager tilstanden af udtømning og lukning af nøglen, og en positiv spænding ved porten forårsager berigelse og større åbning af nøglen.
Kanalinducerede transistorer
MOSFET'er med en induceret kanal leder ikke strøm, når der ikke er nogen spænding i porten, eller rettere, der er strøm, men det er ekstremt lille, fordi dette er returstrømmen mellem underlaget og de højlegerede områder af drænet og kilden.
Felt-effekt transistor med en isoleret port og en induceret kanal er en analog af en normalt åben switch, strøm strømmer ikke.
I nærvær af en portkildespænding, som vi overvejer n-typen af den inducerede kanal, spændingen er positiv, negative bærere tiltrækkes til portområdet af feltets handling.
Så der er en "korridor" for elektroner fra kilde til dræning, så der vises en kanal, transistoren åbner, og strøm begynder at strømme gennem den. Vi har et substrat af p-type, de vigtigste i det er positive ladningsbærere (huller), der er meget få negative bærere, men under påvirkning af marken løsnes de fra deres atomer og deres bevægelse begynder. Derfor manglen på ledningsevne i fravær af spænding.
karakteristika
Udgangskarakteristikken gentager nøjagtigt den samme forskel fra de foregående, kun at spændingerne Uz bliver positive.
Karakteristika for tæt gate viser den samme ting, forskellene igen i portspændinger.
Når man overvejer strømspændingsegenskaberne, er det ekstremt vigtigt at se nøje på de værdier, der er skrevet langs akserne.
modellering
En spænding på 12 V blev påført nøglen, og vi havde 0. Ved porten strømmer der ikke strøm gennem transistoren.
Føj 1 volt til porten, men strømmen tænkte ikke at strømme ...
Ved at tilføje en volt fandt jeg, at strømmen begynder at vokse fra 4v.
Ved at tilføje en yderligere 1 Volt steg strømmen kraftigt til 1.129 A.
Databladet angiver tærskelspænding for åbning af denne transistor i et afsnit fra 2 til 4 volt, og maksimum på en gate-to-gate fra -20 til +20 V, yderligere spændingsforøgelser gav ikke resultater ved 20 volt (flere milliamper gjorde jeg ikke Jeg tror i dette tilfælde).
Dette betyder, at transistoren ville være helt åben, hvis den ikke var, ville strømmen i dette kredsløb være 12/10 = 1,2 A. Senere studerede jeg, hvordan denne transistor fungerer, og fandt ud af, at ved 4 volt den begynder at åbne.
Ved at tilføje 0,1V hver bemærkede jeg, at med hver tiendedel af en volt vokser strømmen mere og mere, og med 4,6 volt er transistoren næsten helt åben, forskellen med portspændingen på 20V i dræningsstrømmen er kun 41 mA, ved 1,1 A den nonsens.
Dette eksperiment afspejler det faktum, at transistoren med en induceret kanal kun åbnes, når tærskelspændingen nås, hvilket tillader den at fungere perfekt som en nøgle i pulskredsløb. Faktisk er IRF740 en af de mest almindelige ved at skifte strømforsyning.
Resultaterne af målinger af portstrømmen viste, at felteffekttransistorer næsten ikke forbruger kontrolstrøm. Ved en spænding på 4,6 volt var strømmen kun 888 nA (nano !!!).
Ved en spænding på 20V var den 3,55 μA (mikro). For en bipolær transistor ville den være i størrelsesordenen 10 mA, afhængig af forstærkningen, som er titusinder af gange mere end en felt en.
Ikke alle taster åbnes med sådanne spændinger, dette skyldes designen og funktionerne i kredsløbet på enhederne, hvor de bruges.
Funktioner ved brug af taster med en isoleret skodde
To ledere, og mellem dem en dielektriker - hvad er det? Dette er en transistor, selve porten har en parasitisk kapacitet, den bremser processen med at skifte transistor. Dette kaldes Miller Plateau, generelt er dette spørgsmål værd at et separat seriøst materiale med nøjagtig modellering ved hjælp af anden software (kontrollerede ikke denne funktion i multisim).
En afladet kapacitet på det første tidspunkt kræver en stor ladestrøm, og sjældne styreenheder (PWM-controllere og mikrokontrollere) har stærke udgange, så de bruger drivere til feltlukker, både i felteffekttransistorer og i IGBT (bipolær med en isoleret skodde). Dette er en sådan forstærker, der konverterer indgangssignalet til et output med en sådan størrelse og strømstyrke, der er tilstrækkelig til at tænde og slukke transistoren. Ladestrømmen er også begrænset af en modstand, der er forbundet i serie med porten.
På samme tid kan nogle porte styres fra mikrokontrolporten gennem en modstand (den samme IRF740). Vi berørte dette emne. i arduino-materialecyklussen.
Betinget grafik
De ligner felteffekttransistorer med en kontrolport, men adskiller sig fra hinanden i den på UGO, som i selve transistoren, er porten adskilt fra underlaget, og pilen i midten angiver kanaltypen, men ledes fra underlaget til kanalen, hvis det er en n-kanal mosfet - mod udløseren og vice versa.
For taster med induceret kanal:
Det kan se sådan ud:
Vær opmærksom på de engelske navne på konklusionerne, de er ofte angivet på databladets og på diagrammerne.
For nøgler med en indbygget kanal:
Se også på elektrohomepro.com
: