Схемы импульсных блоков питания на полевом транзисторе: Импульсный блок питания 250 Ватт

Полевой транзистор — это униполярное устройство, в котором ток переносится только основными носителями (либо мотыгами, либо электронами). FET — это устройство, управляемое напряжением, что означает, что, управляя напряжением между затвором и истоком, выходной ток изменяется.

Давайте рассмотрим N-канальный JFET для понимания рабочих регионов. Работа или характеристики JFET разделены на три различных области, а именно омическую область, область насыщения и область отсечки.Напряжение, приложенное к стоку, обозначается как V _DS (иногда также обозначается как V _DD ), а напряжение на затворе обозначается как V _GS или V _GG .

N-канальный JFET

Режимы работы полевого транзистора

Омическая область (V _DS > 0 и V _DS P )

В этой области слой истощения канала очень мал, а полевой транзистор действует как переменный резистор.

В этом случае значение V _DS больше нуля и меньше, чем V _P , поэтому нет отслаивания канала и ток I _D увеличивается. Когда мы увеличиваем напряжение затвора истока V _GS , проводимость канала падает, а сопротивление увеличивается. Следовательно, области истощения будут расширяться, что образует узкий канал. Сопротивление канала обычно изменяется от 100 Ом до 10 кОм и, очевидно, регулирует напряжение. Следовательно, в этой области транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.

Область насыщенности (V _DS > V _GS — V _P )

Эта область начинается с точки, где V _DS больше, чем V _GS минус V _P , здесь V _P — напряжение отсечки. В этой области ток стока I _D полностью зависит от V _GS , а не от V _DS . Полевой транзистор работает в этой области для усиления сигналов, а также для операций переключения. Из рисунка видно, что когда V _GS равен нулю, протекает максимальный ток I _D . Когда мы меняем V _GS на более отрицательное, то ток стока падает. При определенном значении V _GS ток стока постоянно течет через устройство. Следовательно, эту область также называют областью постоянного тока.

Область отсечки (V _GS P )

Это область, в которой ток стока I _D равен нулю и устройство выключено.В этом случае напряжение затвора истока V _GS меньше напряжения отсечки V _P . Это означает, что значение V _GS более отрицательное, чем значение V _P . Таким образом, канал закрывается и не пропускает ток через устройство.

НАЗАД В начало

Из приведенного выше обсуждения становится ясно, что полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя, управляя им в двух областях, это область отсечки и область насыщения. Когда V _GS равен нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, и через него проходит максимальный ток. Следовательно, это похоже на полностью включенное состояние. Точно так же, когда приложенный VGS является более отрицательным, чем напряжение отсечки, полевой транзистор работает в области отсечки и не допускает протекания тока через устройство. Следовательно, полевой транзистор находится в полностью выключенном состоянии. Полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя в различных конфигурациях, некоторые из них приведены ниже.

НАЗАД В начало

FET Используется как шунтирующий переключатель

Давайте посмотрим на рисунок ниже, на котором полевой транзистор подключен параллельно нагрузке и действует как аналоговый переключатель.

• Когда применяемый VGS равен нулю, полевой транзистор включается, работая в области насыщения, и его сопротивление очень мало, почти 100 Ом. Выходное напряжение на полевом транзисторе составляет В _OUT = В _в * {R _DS / (R _D + R _{DS (ON)} )}. Поскольку сопротивление R _D очень велико, выходное напряжение приблизительно считается нулевым.
• Когда мы прикладываем отрицательное напряжение, которое равно напряжению отсечки на затворе, полевой транзистор работает в области отсечки и действует как устройство с высоким сопротивлением, а выходное напряжение равно входному напряжению.

Полевой транзистор как схема параллельного переключения

НАЗАД В начало

FET, используемый в качестве последовательного переключателя

На рисунке ниже показана другая конфигурация схемы переключателя на полевых транзисторах. В этой схеме полевой транзистор действует как последовательный переключатель. Он действует как замкнутый переключатель, если управляющее напряжение равно нулю, и разомкнутый переключатель, если управляющее напряжение отрицательное. Когда полевой транзистор включен, входной сигнал появляется на выходе, а когда он выключен, выход равен нулю.

FET как последовательная схема переключения

НАЗАД В начало

Пример N-канального JFET в качестве коммутатора

На рисунке ниже показано, как N-канальный JFET-транзистор используется для переключения светодиода.Светодиод подключается между клеммой питания и истока через резистор. Здесь резистор используется для ограничения тока через светодиод. Клемма затвора транзистора подключена к отрицательному питанию.

• Из приведенного выше обсуждения, нулевое напряжение на выводе затвора заставляет ток течь через светодиод, потому что полевой транзистор находится в режиме насыщения. Таким образом, светодиод загорается.
• При достаточном отрицательном напряжении на выводе затвора (около 3-4 вольт) JFET переходит в режим отсечки, поэтому светодиод гаснет.

N-канальный JFET для переключения цепи светодиода

НАЗАД В начало

До сих пор мы обсуждали N-канальный JFET в качестве переключателя. Другой тип JFET — это P-канальный JFET, и работа этого FET также аналогична N-типу, но разница только в положительном напряжении на выводе затвора.

• Когда напряжение затвора-истока равно нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, поэтому полевой транзистор включается, что, в свою очередь, заставляет ток течь от стока к истоку.
• А положительное напряжение между затвором и истоком приводит к отключению тока через полевой транзистор. Итак, полевой транзистор находится в состоянии разомкнутой цепи.

P-канальный JFET-транзистор как схема переключения

НАЗАД В начало

Пример P-канального JFET в качестве переключателя

Подобно светодиоду с N-канальным JFET, схема коммутируемого светодиода с P-каналом JFET приведена ниже. Разница между двумя схемами заключается в источнике питания на выводе затвора.

• Состояние включения остается одинаковым для обеих цепей, при нулевом напряжении на выводе затвора светодиод светится, когда полевой транзистор активен.
• Для переключения полевого транзистора в режим отсечки достаточное положительное напряжение (в данном случае от 3 до 4 вольт) останавливает ток через цепь. Поэтому светодиод выключен. Мы также можем использовать полевые транзисторы для включения схем реле, драйверов двигателей и других электронных схем управления.

P-Channel JFET для переключения светодиода

НАЗАД В начало

Другой тип полевого транзистора — это полевой МОП-транзистор, который также является устройством, управляемым напряжением.Уровень V _GS , при котором ток стока увеличивается или начинает течь, называется пороговым напряжением V _T . Следовательно, если увеличить V _GS , ток стока тоже возрастет. И если мы увеличим V _GS , оставив постоянным V _DS , то ток стока достигнет уровня насыщения, как в случае JFET.

MOSFET работает в режиме отсечки, когда V _GS ниже порогового уровня. Следовательно, в этом режиме ток стока не течет.Следовательно, действует как переключатель ОТКРЫТЬ

Для лучшего понимания рассмотрим рисунок ниже, на котором N-канальный полевой МОП-транзистор улучшенного типа переключается на разные напряжения на выводе затвора.

• На рисунке ниже вывод затвора полевого МОП-транзистора подключен к V _DD , так что напряжение, приложенное к выводу затвора, является максимальным. Это приводит к тому, что сопротивление канала становится таким маленьким и позволяет протекать максимальному току стока. Это называется режимом насыщения, и в этом режиме полевой МОП-транзистор полностью включен как замкнутый переключатель.Для MOSFET с улучшенным каналом P для включения потенциал затвора должен быть более отрицательным по отношению к источнику.
• В области отсечки приложенное V _GS меньше порогового уровня напряжения, поэтому ток стока равен нулю. Следовательно, полевой МОП-транзистор находится в режиме ВЫКЛ, как и открытый переключатель, как показано на рисунке.

MOSFET как схема переключения

НАЗАД В начало

Пример MOSFET в качестве переключателя

Давайте рассмотрим схему MOSFET, которая управляет светодиодом, как показано на рисунке.Здесь N-канальный расширенный MOSFET используется для переключения светодиода с помощью простого переключателя.

• Когда переключатель в разомкнутом состоянии вызывает нулевое напряжение на затворе по отношению к земле или источнику. Таким образом, полевой МОП-транзистор остается выключенным, и светодиод не светится.
• Когда переключатель нажимается, чтобы закрыть его, соответствующее положительное напряжение (в данном случае 5 В) подается на клемму затвора. Итак, полевой МОП-транзистор включен, и светодиод начнет светиться.
• Здесь это простая резистивная нагрузка, но в случае любых индуктивных нагрузок, таких как двигатели, реле, мы должны использовать свободно вращающиеся диоды через нагрузку для защиты полевого МОП-транзистора от индуцированных напряжений.

MOSFET для переключения светодиода

В большинстве схем MOSFET используется в качестве переключателя по сравнению с JFET из-за его преимуществ. Мы также можем использовать схему переключения (для работы нагрузки с определенной частотой переключения) для полевых транзисторов JFET и полевых МОП-транзисторов для получения сигналов ШИМ в зависимости от требований к нагрузке.

Мы надеемся, что эта общая информация могла бы помочь вам понять, как мы можем переключать нагрузки с помощью полевых транзисторов с условиями переключения и необходимыми цифрами.Вы также можете написать нам о любых сомнениях или технической помощи по этой концепции в разделе комментариев ниже.

НАЗАД В начало

ПРЕДЫДУЩИЙ — ТРАНЗИСТОР КАК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ

СЛЕДУЮЩИЙ — ТРАНЗИСТОР Дарлингтона

FET-OR и цепь питания с использованием того же

1. Область изобретения

Настоящее изобретение относится к схеме ИЛИ, которая вырабатывает выходное напряжение как объединенное по ИЛИ напряжение множества входных напряжений.

2. Описание предшествующего уровня техники

Схема диодного ИЛИ широко применяется не только в цифровых схемах, но и в других электрических схемах. Например, в схеме резервного источника питания, использующей схему диодного ИЛИ, катоды двух диодов соединены совместно с выходным зажимом, и напряжение основного и резервного питания подается на соответствующие аноды диодов. Если по какой-либо причине напряжение основного источника питания понижается, питание подается от резервного источника питания, в результате чего на стороне общего катода появляется стабильное выходное напряжение.

Когда схема диодного ИЛИ используется для подключения нагрузки к основному и резервному источникам питания, падение напряжения неизбежно происходит из-за падения напряжения на прямом переходе Vf (примерно 0,4–0,8 В) в зависимости от типа диода. Такое падение напряжения нельзя игнорировать в случае низковольтного источника питания, имеющего напряжение питания 2,5 В или 3,3 В. Кроме того, поскольку падение напряжения на прямом переходе Vf изменяется в зависимости от тока, протекающего через диод, диод-OR Схема также имеет недостаток в том, что выходное напряжение меняется в зависимости от колебаний ее нагрузки.

Для преодоления описанных выше недостатков в патенте США No. № 4788450. В этом переключателе резервного питания используются два полевых транзистора (далее сокращенно полевые транзисторы), каждый из которых имеет собственный диод в качестве так называемого паразитного диода. В переключателе резервного питания основной источник питания и резервный источник питания (обычно батарея) подключены к нагрузке через соответствующие из двух полевых транзисторов, которые в дальнейшем называются полевыми транзисторами на основной стороне и полевыми транзисторами на резервной стороне соответственно.Соответствующие полевые транзисторы соединены таким образом, что анод каждого собственного диода расположен на соответствующей стороне источника питания, а его катод — на стороне нагрузки. Переключатель управления управляет состоянием включения / выключения этих полевых транзисторов в зависимости от напряжения основного источника питания. Как хорошо известно, полевой транзистор имеет небольшое сопротивление проводимости. Следовательно, когда полевой транзистор приводится в состояние проводимости, что приводит к короткому замыканию собственного диода и эквивалентному удалению из цепи, соответствующее напряжение источника питания может появиться на его выходном выводе без какого-либо существенного падения напряжения.

Более конкретно, переключатель управления контролирует напряжение основного источника питания и, когда напряжение основного источника питания попадает в заданный надлежащий диапазон, устанавливает полевой транзистор на основной стороне в состояние проводимости, а полевой транзистор на резервной стороне — в состояние непроводимости. состояние (т.е. собственное рабочее состояние диода). Когда напряжение основного источника питания становится ниже заданного диапазона, система управления переключает полевой транзистор на основной стороне на непроводящий, а на резервный полевой транзистор на проводящий. Соответственно, даже в случае сбоя основного питания мощность может непрерывно подаваться на нагрузку от резервного источника питания.

Однако при обнаружении падения напряжения основного источника питания описанный выше переключатель резервного питания переключает источник питания с основного на резервный источник питания. Это вызывает следующие недостатки.

1) Контрольный переключатель контролирует только напряжение основного источника питания и одновременно переключает соответствующие полевые транзисторы на основной и резервной стороне между состояниями проводимости и непроводимости в зависимости от того, происходит ли падение напряжения основного источника питания.Следовательно, бывают случаи, когда напряжение, приложенное к нагрузке, мгновенно падает по некоторым причинам, например, из-за задержки переключения. В случае логической схемы IC такое мгновенное падение напряжения вызовет ошибочную операцию. Кроме того, в случае встроенной в нее ИС сброса существует вероятность нежелательного перезапуска схемы.

2) Резервный полевой транзистор обычно находится в непроводящем состоянии, когда его собственный диод находится в состоянии обратного смещения или в несмещенном состоянии, и поэтому резервный источник питания работает без нагрузки без протекания тока. Когда напряжение основного источника питания падает, полевой транзистор на резервной стороне переводится в проводящее состояние, что резко увеличивает нагрузку. Чтобы решить эту проблему, в качестве резервного источника питания используется импульсный источник питания, имеющий цепь обратной связи для поддержания постоянного выходного напряжения. Однако в этом случае, поскольку цепь обратной связи импульсного источника питания не может отслеживать быстрые колебания нагрузки, напряжение резервного питания также резко падает, вызывая ошибочную операцию.

Целью настоящего изобретения является создание схемы ИЛИ по настоящему изобретению, позволяющей создавать одно стабильное выходное напряжение из множества входных напряжений.

Другой целью настоящего изобретения является создание надежной схемы источника питания, которая может обеспечивать нагрузку одним стабильным напряжением питания, создаваемым из множества напряжений питания.

В соответствии с настоящим изобретением предоставляется схема ИЛИ, имеющая множество входных клемм и одну выходную клемму, в которой множество входных напряжений прикладывается к соответствующим входным клеммам, а выходное напряжение появляется на одном выходе. Терминал. Схема ИЛИ включает в себя: множество полевых транзисторов, предусмотренных для соответствующих входных клемм, каждый из полевых транзисторов подключает соответствующий входной контакт к единственной выходной клемме, при этом один главный электрод полевого транзистора соответствует к аноду собственного диода полевого транзистора подключен к соответствующему входному выводу, а другой главный электрод полевого транзистора, соответствующий катоду собственного диода, подключен к единственному выходному выводу; и множество контроллеров, предусмотренных для соответствующих полевых транзисторов, при этом каждый из контроллеров переводит соответствующий полевой транзистор в выбранное одно из состояния проводимости или состояния непроводимости, в зависимости от того, какое из соответствующего входного напряжения и выходное напряжение выше, чем у других.

Предпочтительно, каждый из контроллеров приводит соответствующий полевой транзистор в состояние проводимости, когда выходное напряжение равно или ниже соответствующего входного напряжения, и переводит соответствующий полевой транзистор в состояние непроводимости, когда выходное напряжение выше. чем соответствующее входное напряжение.

Согласно варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется схема источника питания, использующая множество источников питания для генерирования одного выходного напряжения, которое подается на нагрузку.Схема источника питания включает в себя: множество полевых транзисторов с р-каналом, предусмотренных для соответствующих источников питания, каждый из полевых транзисторов с р-каналом подключает соответствующий источник питания к нагрузке, при этом электрод стока Полевой транзистор с р-каналом, соответствующий аноду собственного диода полевого транзистора с р-каналом, подключен к соответствующему источнику питания, а электрод истока полевого транзистора с р-каналом, соответствующий катоду собственный диод подключен к нагрузке; и множество компараторов напряжения, предусмотренных для соответствующих источников питания, причем каждый из компараторов напряжения переводит соответствующий полевой транзистор с каналом p-типа в выбранное одно из состояния проводимости или состояния непроводимости, в зависимости от того, какой из соответствующих напряжение питания и одно выходное напряжение выше, чем другое.

Согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения предоставляется схема источника питания, использующая множество источников питания для генерации единственного выходного напряжения, которое подается на нагрузку. Схема источника питания включает в себя: множество n-канальных полевых транзисторов, предусмотренных для соответствующих источников питания, каждый из n-канальных полевых транзисторов подключает соответствующий источник питания к нагрузке, при этом электрод истока n-канальный полевой транзистор, соответствующий аноду собственного диода n-канального полевого транзистора, подключен к соответствующему источнику питания, а электрод стока n-канального полевого транзистора, соответствующий катоду собственный диод подключен к нагрузке; и множество компараторов напряжения, предусмотренных для соответствующих источников питания, при этом каждый из компараторов напряжения переводит соответствующий n-канальный полевой транзистор в выбранное одно из состояния проводимости или состояния непроводимости, в зависимости от того, какой из соответствующих напряжение питания и одно выходное напряжение выше, чем другое.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предоставляется способ управления схемой ИЛИ, имеющей множество входных клемм и одну выходную клемму, в котором множество входных напряжений прикладывается к соответствующим входным клеммам и выходное напряжение появляется на единственной выходной клемме, при этом схема ИЛИ содержит множество полевых транзисторов, предусмотренных для соответствующих входных клемм, каждый из полевых транзисторов подключает соответствующий входной контакт к единственной выходной клемме, при этом одна основная Электрод полевого транзистора, соответствующий аноду собственного диода полевого транзистора, подключен к соответствующему входному выводу, а другой главный электрод полевого транзистора, соответствующий катоду собственного диода, подключен к один выходной терминал.Метод включает в себя следующие этапы: а) сравнение каждого входного напряжения с выходным напряжением; и b) настройку полевого транзистора, соответствующего входному напряжению, на выбранное из состояния проводимости и состояния непроводимости в зависимости от результата этапа сравнения (а).

Предпочтительно, этап (b) включает в себя этапы: установки соответствующего полевого транзистора в состояние проводимости, когда выходное напряжение равно или ниже соответствующего входного напряжения; и перевод соответствующего полевого транзистора в состояние непроводимости, когда выходное напряжение выше входного напряжения.

Как описано выше, согласно настоящему изобретению, в каждом из множества полевых транзисторов соответствующее входное напряжение сравнивается с выходным напряжением, и состояние проводимости / непроводимости соответствующего полевого транзистора определяется как контролируется в зависимости от соответствующего результата сравнения. Следовательно, состояния проводимости / непроводимости соответствующих полевых транзисторов управляются индивидуально, и все полевые транзисторы не управляются единообразно.Это может эффективно избежать резкого изменения выходного напряжения. В результате выходное напряжение может поддерживаться в исключительно стабильном состоянии.

РИС. 1 — схематическая блок-схема, показывающая схему ИЛИ согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

РИС. 2 — принципиальная схема, показывающая пример схемы резервного источника питания со схемой ИЛИ, использующей полевой транзистор с каналом p-типа (FET), согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и

ФИГ.3 — принципиальная схема, показывающая другой пример схемы резервного источника питания со схемой ИЛИ, использующей n-канальный полевой транзистор согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

Ссылаясь на фиг. 1, схема ИЛИ согласно варианту осуществления настоящего изобретения имеет две входные клеммы 1, и 2 и одну выходную клемму 3 . Входные напряжения постоянного тока V ₁₁ и V ₁₂ прикладываются к соответствующим входным клеммам 1 и 2 , а выходное напряжение постоянного тока Vo появляется на выходной клемме 3 в виде ИЛИ входных напряжений V ₁₁ и V ₁₂ .

Входная клемма 1 подключена к выходной клемме 3 схемы ИЛИ через полевой транзистор M1, а для полевого транзистора M 1 предусмотрен компаратор напряжения 4 . Кроме того, входной контакт 2 подключен к выходному контакту 3 через полевой транзистор M 2 , и, кроме того, для полевого транзистора M 2 предусмотрен компаратор 5 напряжения.Как описано ранее, полевые транзисторы M 1 и M 2 включают диоды с собственным переходом D 1 и D 1 , соответственно.

Компаратор напряжения 4 сравнивает напряжение на главном электроде на стороне входа полевого транзистора M 1 (т.е. входное напряжение V ₁₁ ) с напряжением на его основном электроде на стороне выхода ( т.е. выходное напряжение Vo). Компаратор напряжения 4 управляет напряжением затвора V _G1 , приложенным к затвору полевого транзистора M 1 , таким образом, что полевой транзистор M 1 переходит в проводящее или непроводящее состояние. в зависимости от результата сравнения.Подробности будут описаны позже.

Аналогичным образом, компаратор напряжения 5 сравнивает напряжение на главном электроде на стороне входа полевого транзистора M 2 (т.е. входное напряжение V ₁₂ ) с напряжением на основном электроде на стороне выхода. из них (т.е. выходное напряжение Vo). Компаратор напряжения 5 управляет напряжением затвора V _G2 , приложенным к затвору полевого транзистора M 2 таким образом, что полевой транзистор M 2 приводится в проводимость или непроводимость. в зависимости от результата сравнения.Подробности будут описаны позже.

Полевые транзисторы M 1 и M 2 могут быть p-канального или n-канального типа, но должны быть подключены таким образом, чтобы анод каждого собственного диода был направлен к соответствующему входному выводу, а его катод направлен к выходному выводу 3 . Входное напряжение V ₁₁ может быть таким же или отличаться от входного напряжения V ₁₂ .

В случае, когда входное напряжение V ₁₁ отличается от V ₁₂ и эти напряжения обычно вводятся, более высокое из этих напряжений появляется как выходное напряжение Vo на выходной клемме 3 .Например, если V ₁₁ > V ₁₂ , компаратор напряжения 4 устанавливает напряжение затвора V _G1 , чтобы привести полевой транзистор M 1 в состояние проводимости. Другими словами, собственный диод D 1 закорочен и не работает. Поскольку сопротивление проводимости полевого транзистора очень низкое, входное напряжение V ₁₁ появляется на выходной клемме 3 без какого-либо существенного падения напряжения.

В этом состоянии, поскольку выходное напряжение Vo, по существу, составляет V ₁₁ (> V ₁₂ ), другой компаратор напряжения 5 устанавливает напряжение затвора V _G2 , чтобы задействовать полевой транзистор M 2 в непроводящие. Следовательно, в полевом транзисторе M 2 собственный диод D 2 имеет обратное смещение.

Рассмотрим случай, когда входное напряжение V ₁₁ по какой-то причине падает в указанном выше рабочем состоянии.Когда падение входного напряжения V ₁₁ вызывает падение выходного напряжения Vo до входного напряжения V ₁₂ , компаратор напряжения 5 изменяет напряжение затвора V _G2 таким образом, чтобы включить полевой транзистор M 2 в проводку. Это приводит к короткому замыканию собственного диода D 2 и его неработоспособности. Когда полевой транзистор M 2 находится в состоянии проводимости, входное напряжение V ₁₂ появляется на выходной клемме 3 без какого-либо существенного падения напряжения.Следовательно, выходное напряжение Vo плавно падает с напряжения V ₁₁ до напряжения V ₁₂ и стабилизируется. Можно избежать быстрого изменения напряжения, которое могло бы быть вызвано обычной операцией переключения.

Когда входное напряжение V ₁₁ восстановилось в этом резервном состоянии, компаратор напряжения 4 устанавливает напряжение затвора V _G1 , чтобы привести полевой транзистор M 1 в состояние проводимости, выходное напряжение Vo по существу возвращается к V ₁₁ , а другой компаратор 5 напряжения устанавливает напряжение затвора V _G2 , чтобы перевести полевой транзистор M 2 в непроводящее состояние. Таким образом, в полевом транзисторе M 2 собственный диод D 2 имеет обратное смещение.

Кроме того, в случае, когда входное напряжение V ₁₁ совпадает с входным напряжением V ₁₂ , полевые транзисторы M 1 и M 2 оба установлены в состояние проводимости, и входное напряжение всегда может подаваться на выходной терминал. В этом состоянии, когда одно входное напряжение падает, полевой транзистор, соответствующий пониженному входному напряжению, принудительно переводится в состояние непроводимости, как описано выше, то есть соответствующий полевой транзистор устанавливается в состояние собственной диодной функции. .Кроме того, выходное напряжение поддерживается другим полевым транзистором, находящимся в состоянии проводимости. Следовательно, даже при падении любого входного напряжения выходное напряжение не падает.

Как описано выше, в каждом из множества полевых транзисторов входное напряжение сравнивается с выходным напряжением, и состояние проводимости / непроводимости соответствующего полевого транзистора регулируется в зависимости от результата сравнения. Таким образом, можно избежать нежелательного изменения выходного напряжения, вызванного одновременным переключением всех полевых транзисторов.В результате выходное напряжение Vo, появляющееся на выходном выводе 3 , может поддерживаться в исключительно стабильном состоянии.

В вышеописанном варианте осуществления для упрощения описания была проиллюстрирована схема ИЛИ с двумя входами и одним выходом. Излишне говорить, что даже схема ИЛИ с множеством входов может быть подобным образом образована путем подключения полевого транзистора и компаратора напряжения для каждого входа, как показано на фиг. 1 .

Ссылаясь на фиг. 2, импульсный источник питания , 11, используется в качестве основного источника питания, а импульсный источник питания , 12, используется в качестве резервного или вспомогательного источника питания.Любой из импульсных источников питания является стабилизированным источником питания, имеющим цепь обратной связи для поддержания постоянного выходного напряжения.

Основная система питания состоит из полевого транзистора с р-каналом 13 , компаратора 14 , состоящего из операционного усилителя, транзистора Q 1 и резисторов R 1 до Р 5 . Здесь полевой транзистор с р-каналом , 13, соответствует полевому транзистору M 1 на фиг.1, и комбинация компаратора 14 , транзистора Q 1 и резисторов R 1 — R 5 соответствует компаратору напряжения 4 на фиг. 1 .

Аналогично, система резервного питания состоит из полевого транзистора с р-каналом 15 , компаратора 16 операционного усилителя, транзистора Q 2 и резисторов с R 6 до R 10 . Здесь полевой транзистор с р-каналом 15 соответствует полевому транзистору M 2 на фиг.1, и комбинация компаратора 16 операционного усилителя, транзистора Q 2 и резисторов R 6 — R 10 соответствует компаратору напряжения 5 на фиг. 1 .

Более конкретно, выходной вывод импульсного источника питания 11, подключен к электроду стока полевого транзистора 13 , который дополнительно заземлен через резисторы R 3 и R 5 , соединенные последовательно.Соответственно, схема с выходными вывода импульсного источника питания 11 к опорной линии (линиям заземления) через резисторы R 3 и R 5 закрыт. Электрод истока полевого транзистора , 13, подключен к выходной клемме схемы источника питания, которая дополнительно заземлена через резисторы R 2 и R 4 , соединенные последовательно. В этом случае собственный диод D 1 существует между стоком и истоком полевого транзистора , 13, , как показано на фиг. 2 . Анод собственного диода D 1 эквивалентно подсоединен к выходной клемме импульсного источника питания 11 , а его катод эквивалентно подключен к выходной клемме схемы источника питания.

Точка подключения 103 резисторов R 2 и R 4 подключена к инвертирующей входной клемме компаратора 14 , и выходное напряжение Vout может контролироваться на основе разделенного напряжения на соединении точка 103 .Точка подключения 104 резисторов R 3 и R 5 подключена к неинвертирующей входной клемме компаратора 14 , и входное напряжение от импульсного источника питания 11 можно контролировать на основе по разделенному напряжению в точке подключения 104 .

Выходной вывод компаратора , 14, подключен к базовому электроду транзистора Q 1 через резистор R 1 .Коллекторный электрод транзистора Q 1 соединен с электродом затвора полевого транзистора , 13, , а его вывод эмиттера заземлен. Компаратор , 14, получает питание от электрода истока полевого транзистора , 13, , то есть выходное напряжение Vout.

В описанной выше схеме, в случае установки резисторов R 2 — R 5 на соответствующие значения сопротивления, компаратор 14 выдает высокий уровень, когда выходное напряжение Vout равно или ниже, чем входное напряжение, которое приводит транзистор Q 1 в проводимость.Когда транзистор Q 1 находится в состоянии проводимости, напряжение затвора полевого транзистора 13 устанавливается равным потенциалу земли. Это приводит в действие полевой транзистор 13 . С другой стороны, когда выходное напряжение Vout выше входного напряжения, компаратор , 14, выдает низкий уровень, который переводит транзистор Q 1 в непроводящий. Следовательно, полевой транзистор , 13, переводится в непроводящее состояние (то есть в состояние собственной диодной функции).Его основная операция описана на фиг. 1 .

Аналогичным образом, выходная клемма импульсного источника питания 12, соединена с электродом стока полевого транзистора 15 , который дополнительно заземлен через резисторы R 8 и R 10 , соединенные последовательно. Таким образом, цепь с выходным выводом импульсного источника питания 12 к опорной линии (линии заземления) через резисторы R 8 и R 10 закрыт.Электрод истока полевого транзистора , 15, подключен к выходной клемме цепи питания, которая дополнительно заземлена через резисторы R 7 и R 9 , соединенные последовательно. Кроме того, собственный диод D 2 существует между стоком и истоком в полевом транзисторе 15 . Анод собственного диода D 2 эквивалентно подсоединен к выходному выводу импульсного источника питания 12 , а его катод эквивалентно подсоединен к выходному выводу схемы источника питания.

Точка подключения 107 резисторов R 7 и R 9 подключена к инвертирующей входной клемме компаратора 16 , а точка подключения 108 резисторов R 8 и R 10 подключен к неинвертирующему входу компаратора 15 . Выходной вывод компаратора , 16, соединен с базовым электродом транзистора Q 2 через резистор R 6 .Коллекторный электрод транзистора Q 2 соединен с электродом затвора полевого транзистора 15 , а его эмиттерный электрод заземлен. Компаратор , 16, получает питание от выходного напряжения на электроде истока полевого транзистора 15 . Поскольку работа системы резервного электропитания аналогична работе основной системы электропитания, ее описание опускается.

Ссылаясь на фиг. 3, импульсный источник питания , 21, используется в качестве основного источника питания, а импульсный источник питания , 22, используется в качестве резервного источника питания.Любой из импульсных источников питания представляет собой стабилизированный источник питания, имеющий схему обратной связи для поддержания постоянного выходного напряжения.

Основная система питания состоит из n-канального полевого транзистора 23 , компаратора 24 операционного усилителя и резисторов R 21 — R 24 . Здесь n-канальный полевой транзистор 23 соответствует полевому транзистору M 1 на фиг. 1, и комбинация компаратора 24 и резисторов R 21 — R 24 соответствует компаратору напряжения 4 на фиг. 1 .

Точно так же система резервного питания состоит из n-канального полевого транзистора 25 , компаратора 26 операционного усилителя и резисторов R 25 — R 28 . Здесь n-канальный полевой транзистор 25 соответствует полевому транзистору M 2 на фиг. 1, и комбинация компаратора 26 и резисторов R 25 — R 28 соответствует компаратору напряжения 5 по фиг. 1 .

Более конкретно, выходная клемма импульсного источника питания 21, соединена с электродом истока полевого транзистора 23 и дополнительно заземлена через резисторы R 22 и R 24 , соединенные последовательно. Таким образом, цепь с выходным выводом импульсного источника питания 21 к опорной линии (линии заземления) через резисторы R 22 и R 24 закрывается. Электрод стока полевого транзистора 23, подключен к выходному выводу схемы источника питания и дополнительно заземлен через резисторы R 21 и R 23 , соединенные последовательно.Кроме того, между стоком и истоком в полевом транзисторе 23 существует собственный диод D 3 . Анод собственного диода D 3 соединен с выходным зажимом импульсного источника питания 21 , а его катод соединен с выходным зажимом схемы источника питания.

Точка подключения резисторов R 21 и R 23 подключена к инвертирующей входной клемме компаратора 24 .Выходное напряжение Vout можно контролировать, определяя напряжение в точке соединения резисторов R 21 и R 23 . Точка подключения резисторов R 22 и R 24 подключена к неинвертирующей входной клемме компаратора 24 . Входное напряжение от импульсного источника питания 21 можно контролировать, обнаруживая напряжение в точке соединения резисторов R 22 и R 24 . Выходной вывод компаратора , 24, соединен с электродом затвора полевого транзистора 23, .Дополнительно компаратор , 24, получает питание от другого источника питания Vdd.

В описанной выше схеме, когда резисторы R 21 — R 24 установлены на соответствующие значения сопротивления, компаратор 24 выдает высокий уровень, когда выходное напряжение Vout по существу равно или ниже, чем входное напряжение, которое приводит полевой транзистор 23 в проводимость. С другой стороны, когда выходное напряжение Vout выше входного напряжения, компаратор 24 выдает низкий уровень, что переводит полевой транзистор 23 в непроводящее состояние и, следовательно, заставляет собственный диод D 3 функционировать. .Его основная операция аналогична описанной на фиг. 1 .

Аналогичным образом, выходная клемма импульсного источника питания 22 соединена с электродом истока полевого транзистора 25 и дополнительно заземлена через резисторы R 26 и R 28 , соединенные последовательно. Таким образом, цепь с выходным выводом импульсного источника питания 22 к опорной линии (линии заземления) через резисторы R 26 и R 28 закрывается.Электрод стока полевого транзистора , 25, подключен к выходному выводу схемы источника питания и дополнительно заземлен через резисторы R 25 и R 27 , соединенные последовательно. Кроме того, между стоком и истоком в полевом транзисторе 25 существует собственный диод D 4 . Анод собственного диода D 4 эквивалентно подключен к выходной клемме импульсного источника 21 питания, а его катод эквивалентно подключен к выходной клемме схемы источника питания.

Точка соединения резисторов R 25 и R 27 подключена к инвертирующей входной клемме компаратора 26 , а выходное напряжение Vout контролируется путем определения напряжения в точке подключения резисторов R 25 и R 27 . Точка соединения резисторов R 26 и R 28 подключена к неинвертирующей входной клемме компаратора 26 , и входное напряжение от импульсного источника питания 22 контролируется путем определения напряжения на точка подключения резисторов R 26 и R 28 .Выходной контакт компаратора , 26, подключен к электроду затвора полевого транзистора 25 .

Следовательно, когда резисторы R 25 — R 28 установлены на соответствующие значения сопротивления, компаратор 26 выдает высокий уровень, когда выходное напряжение Vout по существу равно или ниже входного напряжения, что приводит к полевой транзистор 25 в проводимость. С другой стороны, когда выходное напряжение Vout выше входного напряжения, компаратор 26 выдает низкий уровень, что переводит полевой транзистор 25 в непроводящее состояние и, следовательно, заставляет собственный диод D 4 функционировать. .Поскольку основная работа аналогична основной работе системы электроснабжения, ее подробности опускаются.

Как описано выше, в схеме резервного источника питания, составленной, как описано в первом и втором примерах, в случае падения напряжения основного источника питания выходное напряжение Vout плавно переходит от основного напряжения коммутируемой мощности к вспомогательной мощности переключения. Напряжение. Соответственно, можно эффективно избежать резкого падения напряжения.

Кроме того, когда основное напряжение коммутируемой мощности равно вспомогательному напряжению коммутируемой мощности, оба полевых транзистора находятся в состоянии проводимости, и входное напряжение может постоянно подаваться на нагрузку через выходной контакт.Когда одно коммутируемое напряжение питания падает в этом состоянии, как описано выше, соответствующий полевой транзистор принудительно переводится в непроводящее состояние, а выходное напряжение поддерживается другим полевым транзистором. Следовательно, даже когда одно из напряжений коммутируемой мощности падает, выходное напряжение Vout может поддерживаться на заданном уровне.

Как описано выше, комбинация полевого транзистора и компаратора напряжения предусмотрена для каждого из множества импульсных источников питания.Каждое коммутируемое напряжение питания сравнивается с выходным напряжением, и состояние проводимости / непроводимости соответствующего полевого транзистора регулируется в зависимости от соответствующего результата сравнения. Следовательно, в результате выходное напряжение Vout, появляющееся на выходном зажиме, стабилизируется без резких или мгновенных падений.

В первом и втором вариантах осуществления, чтобы упростить их описание, была проиллюстрирована система с резервированием, использующая два импульсных источника питания, но аналогичная структура может быть реализована с использованием трех или более импульсных источников питания.

Как подробно описано выше, согласно настоящему изобретению, в каждом из множества полевых транзисторов соответствующее входное напряжение сравнивается с выходным напряжением, а состояние проводимости / непроводимости соответствующего полевого транзистора Управление транзистором осуществляется на основании соответствующего результата сравнения. Следовательно, состояния проводимости / непроводимости соответствующих полевых транзисторов управляются индивидуально, и все полевые транзисторы не управляются единообразно.Это может эффективно избежать резкого изменения выходного напряжения. В результате выходное напряжение может поддерживаться в исключительно стабильном состоянии.

Что такое полевой транзистор? — Блог Fusion 360

Полевой транзистор (FET) представляет собой трехконтактный активный полупроводниковый прибор, в котором выходной ток регулируется электрическим полем, создаваемым входным напряжением. Полевые транзисторы также известны как униполярные транзисторы, потому что, в отличие от биполярных транзисторов, полевые транзисторы имеют только электроны или дырки, работающие в качестве носителей заряда.Полевой транзистор использует напряжение, приложенное к его входной клемме (называемой затвором), для управления током, протекающим от истока к стоку, что делает полевой транзистор устройством, управляемым напряжением.

широко используются в интегральных схемах (ИС) из-за их компактного размера и значительно более низкого энергопотребления. Кроме того, полевые транзисторы также используются в устройствах переключения высокой мощности, в качестве резисторов с переменным напряжением (VVR) в операционных усилителях (операционных усилителях), регуляторах тембра и т. Д., для работы микшера на FM- и ТВ-приемниках и в логических схемах.

Психический обзор

Полевой транзистор имеет четыре терминала с именами Источник, Сток, Затвор и Корпус.

1. Источник : Источник — это терминал, через который большинство носителей заряда вводятся в полевой транзистор.
2. Сток : сток — это терминал, через который большинство носителей заряда выходят из полевого транзистора.
3. Затвор : Вывод затвора формируется путем диффузии полупроводника N-типа с полупроводником P-типа.Это создает сильно легированную область PN-перехода, которая контролирует поток носителя от истока к стоку.
4. Корпус : Это основа, на которой построен полевой транзистор. В дискретных приложениях он внутренне привязан к выводу источника, что позволяет полностью игнорировать его эффекты. Однако в интегральных схемах этот вывод обычно подключается к наиболее отрицательному источнику питания в схеме NMOS (наиболее положительному в схеме PMOS), поскольку он используется многими транзисторами. Тщательные соединения и конструкция имеют решающее значение для поддержания производительности полевого транзистора, когда задействовано соединение Body.

Канал : это область, в которой большинство несущих проходят от терминала истока к терминалу стока.

Классификация полевых транзисторов

подразделяются на полевые транзисторы (JFET) и полевые транзисторы металл-оксид-полупроводник (MOSFET).

JFET (переходно-полевой транзистор)

Junction Field Effect Transistor (JFET) — это самый ранний тип полевых транзисторов.Ток протекает через активный канал между истоками и выводами стока. Напряжение, приложенное между затвором и истоком, управляет потоком электрического тока между истоком и стоком полевого транзистора. При приложении напряжения обратного смещения к выводу затвора канал напрягается, поэтому электрический ток полностью отключается. Вот почему полевые транзисторы JFET называют «нормально включенными» устройствами. Транзисторы JFET доступны как в N-канальном, так и в P-канальном исполнении.

N-канальный JFET

В N-канальном JFET канал легирован донорными примесями, что делает его полупроводником N-типа.Следовательно, ток через канал отрицателен в виде электронов. Отсюда и название N-канальный JFET. Две подложки P-типа, легированные с противоположных сторон от его средней части. Таким образом, два PN-перехода образованы этими сильно легированными областями P-типа и каналом N-типа между ними. Вывод затвора (G) подключается внутри к обоим клеммам P-типа, а выводы стока (D) и истока (S) подключаются к любому концу канала N-типа.

Как это работает?

Когда на вывод затвора не подается напряжение, канал становится широко открытым путем для прохождения электронов.Поэтому максимальный ток течет от истока к выводу стока. Величина протекающего тока определяется разностью потенциалов между выводами истока и стока и внутренним сопротивлением канала.

Но происходит обратное, когда на вывод затвора подается отрицательное напряжение по сравнению с выводом истока, что приводит к обратному смещению P-N перехода. В канале создается область истощения, которая делает канал более узким, увеличивая сопротивление канала между истоком и стоком, и ток становится меньше.

P-канальный JFET

Аналогичным образом, в полевом транзисторе с P-каналом канал легирован акцепторными примесями, что делает его полупроводником P-типа. Следовательно, поток тока через канал положительный в виде отверстий. Отсюда и название P-channel JFET. Противоположная сторона канала сильно легирована подложками N-типа. Как и в N-канальном JFET, вывод затвора формируется путем соединения областей N-типа с обеих сторон. Выводы истока и стока взяты с двух других сторон канала.

Принцип работы также аналогичен N-канальному JFET. Единственное отличие состоит в том, что для его выключения необходимо обеспечить положительное напряжение затвора к источнику. Однако N-канальный JFET имеет более высокую проводимость по току из-за более низкого сопротивления канала, чем их эквивалентные типы P-каналов, поскольку электроны имеют более высокую подвижность через проводник по сравнению с дырками. Это делает N-канальный JFET более эффективным, чем их аналоги с P-каналом.

Характеристики

Здесь JFET смещен через источник постоянного тока, который будет управлять VGS JFET.Мы можем контролировать приложенное напряжение на клеммах стока и источника, изменяя VGS. Оттуда мы можем построить кривую ВАХ полевого транзистора.

Выходные характеристики JFET находятся между током стока (ID) и напряжением сток-исток (VDS) при постоянном напряжении затвор-исток (VGS), как показано на следующем рисунке.

• Область отсечки — это область, где JFET выключен, что означает отсутствие тока стока, ID течет от стока к истоку.
• Омическая область — В этой области JFET начинает показывать некоторое сопротивление току стока, ID, который начинает течь от стока к истоку. Ток, протекающий через полевой транзистор, линейно пропорционален приложенному напряжению.
• Область насыщения — Когда напряжение сток-исток достигает такого значения, что ток, протекающий через устройство, является постоянным с напряжением сток-исток и изменяется только с напряжением затвор-исток, устройство считается находящимся в состоянии насыщения. область, край.
• Область пробоя — Когда напряжение стока в исток, VDS превышает максимальное пороговое значение, что вызывает пробой области истощения, JFET теряет способность противостоять току, и ток стока неограниченно увеличивается.

MOSFET (Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник)

Металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы, также известные как полевые МОП-транзисторы, имеют большее значение и являются наиболее полезным типом среди всех транзисторов.МОП-транзистор имеет четыре вывода: сток, исток, затвор и корпус или подложку. MOSFET также является транзистором, управляемым напряжением, но основное различие между JFET и MOSFET состоит в том, что он имеет металлооксидный электрод затвора, который электрически изолирован от основного токоведущего канала между стоком и истоком очень тонким слоем. из изоляционного материала, обычно диоксида кремния, широко известного как стекло.

Трек образован с использованием двух сильно легированных зон N-типа, рассеянных в слаболегированной подложке P-типа.Эти две области N-типа известны как сток и исток, а область P-типа называется подложкой. Изоляция управляющего затвора делает входное сопротивление полевого МОП-транзистора чрезвычайно высоким по шкале мегаомов (МОм), тем самым делая его почти бесконечным. Таким образом, ток не может проходить через ворота.

Как это работает?

Основной принцип устройства MOSFET заключается в том, чтобы иметь возможность управлять напряжением и током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного к выводу затвора.Поверхность полупроводника в нижнем оксидном слое, который расположен между выводами истока и стока, может быть инвертирован из p-типа в n-тип путем приложения положительного или отрицательного напряжения затвора, соответственно. Когда мы прикладываем силу отталкивания к положительному напряжению затвора, то дырки, находящиеся под слоем оксида, толкаются вниз вместе с подложкой. Область обеднения населена связанными отрицательными зарядами, которые связаны с атомами акцептора. Когда достигаются электроны, развивается канал.Положительное напряжение также притягивает электроны из n + областей истока и стока в канал. Теперь, если между стоком и истоком приложено напряжение, ток свободно течет между истоком и стоком, а напряжение затвора управляет электронами в канале. Если вместо положительного напряжения приложить отрицательное напряжение, под оксидным слоем образуется дыра.

Типы полевых МОП-транзисторов

Широко используются два полевых МОП-транзистора:

1.MOSFET истощения:

MOSFET в режиме истощения аналогичен разомкнутому переключателю. В этом режиме напряжение затвора в источник (VGS) применяется для выключения устройства. Когда напряжение затвора отрицательное, в канале накапливаются положительные заряды. Это вызывает область истощения в канале и предотвращает протекание тока. Таким образом, поскольку на протекание тока влияет формирование обедненной области, он называется обедненным MOSFET.

2.Расширение MOSFET:

МОП-транзистор расширенного режима аналогичен замкнутому переключателю. В этом режиме для включения устройства применяется напряжение затвор-исток (VGS). Когда отрицательное напряжение подается на вывод затвора полевого МОП-транзистора, отверстия, несущие положительный заряд, накапливаются возле оксидного слоя, образуя канал от истока к выводу стока. По мере того, как напряжение становится все более отрицательным, ширина канала увеличивается и ток увеличивается; таким образом, он называется улучшенным MOSFET.

Кроме того, типы истощения и расширения классифицируются на типы N-канал и P-канал .

1.N-канальный полевой МОП-транзистор :

N-канальный полевой МОП-транзистор имеет канал N-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником N-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом P-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за электронов.И ток регулируется напряжением затвора.

2.P-канальный МОП-транзистор:

Аналогично, P-канальный MOSFET имеет канал P-типа между истоком и стоком. Здесь выводы истока и затвора сильно легированы полупроводником P-типа, а подложка легирована полупроводниковым материалом N-типа. Следовательно, ток между истоком и стоком происходит из-за дыр. И ток регулируется напряжением затвора.

Характеристики

В целом, полевой МОП-транзистор работает в основном в трех регионах, а именно:

1. Область отсечки:
   В области отсечки полевой МОП-транзистор остается выключенным, поскольку в этой области нет тока.Здесь MOSFET ведет себя как разомкнутый переключатель и, таким образом, используется, когда они должны функционировать как электронные переключатели.
2. Омическая область:
   В омической или линейной области ток от стока к истоку увеличивается с увеличением напряжения от стока к истоку. Когда полевые МОП-транзисторы работают в этой области, их можно использовать в качестве усилителей.
3. Область насыщения:
   В этой области значение тока от стока к истоку остается постоянным без учета увеличения напряжения между стоком и истоком.Это происходит только один раз, когда напряжение на стоке к выводу истока увеличивается больше, чем напряжение отсечки. В этом случае устройство будет работать как замкнутый переключатель. Поэтому эта рабочая область используется всякий раз, когда требуются полевые МОП-транзисторы для выполнения операций переключения.

Приложения

MOSFET как переключатель

используются во многих различных приложениях. Они широко известны своими коммутационными характеристиками. Как мы видели ранее, N-канальный МОП-транзистор в режиме улучшения имеет очень высокое входное сопротивление и работает от положительного входного напряжения.Это позволяет нам переключать нагрузки с высоким током или высоким напряжением, используя сигнал относительно низкого логического уровня. В следующем примере мы будем использовать N-канальный МОП-транзистор в расширенном режиме для включения и выключения простой лампы.

Как видите, в этой схеме мы хотим переключать лампу 12 В с помощью логического сигнала 5 В. Мы подключили положительный вывод лампы к источнику питания 12 В, а другой конец — к выводу стока полевого МОП-транзистора. Клемма источника подключена к GND. Сопротивление затвора к истоку (RGS) используется для предотвращения любого внешнего шума на выводе затвора.

Когда напряжение не подается, лампа остается выключенной. Если мы подадим положительное входное напряжение (VGS) на вывод затвора полевого МОП-транзистора, лампа включится и останется включенной до тех пор, пока мы не удалим входной сигнал или не подадим отрицательное входное напряжение. Затем лампа погаснет.

Усилитель MOSFET

MOSFET или eMOSFET в режиме расширения требует минимального напряжения затвор-исток, называемого пороговым напряжением (VTH), которое должно быть приложено к затвору, чтобы он начал протекать ток от стока к истоку (VDS).По мере увеличения прямого смещения затвора ток сток-исток (IDS) также будет увеличиваться, что делает eMOSFET идеальным для использования в схемах усилителя MOSFET.

Эта простая конфигурация усилителя MOSFET в режиме расширения с общим истоком использует одиночный источник питания на выводе стока для генерации необходимого напряжения затвора (VG) с использованием резистивного делителя на резисторах R1 и R2. Схема резисторов создает необходимую схему смещения для работы в области насыщения. Нам также понадобятся резисторы стока и истока и емкости связи.Значения R1 и R2 обычно большие, чтобы увеличить входное сопротивление усилителя и уменьшить омические потери мощности. Конденсаторы связи C1 и C2 изолируют напряжение смещения постоянного тока от сигнала переменного тока, который необходимо усилить. На изображении выше небольшой сигнал переменного тока (VGS) подается на затвор полевого МОП-транзистора, что приводит к колебаниям тока стока, синхронному с подаваемым входным переменным током.

Драйвер мотора H-моста

Н-мост — это конфигурация схемы, обычно используемая для управления скоростью и направлением щеточного двигателя постоянного тока.Как мы видели ранее, используя полевой МОП-транзистор, мы можем легко контролировать скорость двигателя. Но это работает только в одном направлении. Чтобы сделать его двунаправленным, нам нужно подключить 4 полевых МОП-транзистора таким образом, чтобы он мог одновременно переключать как верхнюю, так и низкую стороны.

При активации одной пары (диагонально противоположных) полевых МОП-транзисторов двигатель видит, что ток течет в одном направлении, а когда активируется другая пара, ток через двигатель меняет направление. Срабатывание как нижнего, так и верхнего полевых МОП-транзисторов (но никогда вместе) прерывает ток и останавливает двигатель.

Затворы полевого МОП-транзистора с N-каналом обычно подтягиваются понижающим резистором, а затворы полевого МОП-транзистора с Р-каналом поднимаются высоко. Это приводит к тому, что полевые МОП-транзисторы с каналом P и N отключаются; следовательно, ток не может течь. Когда сигнал PWM подается на затворы полевого МОП-транзистора, полевые МОП-транзисторы с каналом N и P попеременно включаются и выключаются, контролируя мощность.

_____

Технология полевых транзисторов может использоваться в различных областях электроники, где биполярные транзисторы не подходят.Полевой транзистор имеет очень высокий входной импеданс и является устройством, управляемым напряжением; они, возможно, являются наиболее широко используемым активным устройством. Поскольку они используются в CMOS и других технологиях интегральных схем, где потребляемая мощность является решающим фактором, полевые МОП-транзисторы обеспечивают работу с очень низким энергопотреблением. МОП-транзистор также можно использовать в качестве переключателя для управления большими нагрузками, такими как лампы или двигатели большой мощности. ШИМ-сигналы от внешнего источника, такого как микроконтроллер, используются для управления проводимостью транзистора. Соответственно, полевой МОП-транзистор включается или выключается, таким образом поддерживая яркость лампы или скорость двигателя.

Вы уже знакомы с электронными возможностями Fusion 360? Fusion 360 предлагает доступ к комплексным средствам проектирования электроники и печатных плат на единой платформе разработки продуктов в облаке. Попробуйте сами сегодня.

Полевой транзистор

Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно того типа, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий.У них есть 3 клеммы, как показано ниже. Два основных типа полевых транзисторов — это полевые МОП-транзисторы с каналом «N» и «P». Здесь мы будем обсуждать только канал N. Фактически, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый N-канальный MOSFET в режиме улучшения (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Его схематический символ находится ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.

Current Control:
Терминал управления называется воротами.Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при работе с постоянным током.При управлении затвором с помощью высокочастотных импульсных сигналов постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое значение) варьируется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 В по отношению к источнику.

Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора до источника) редко превышает 3.5 вольт. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора превышает примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

Обычно используются полевые МОП-транзисторы, потому что их легче использовать в сильноточных приложениях (например, в импульсных источниках питания в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор / эмиттер должна протекать через переход базы.В ситуациях с высоким током, когда имеется значительный ток коллектора / эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут работать при очень небольшом токе (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из схемы возбуждения, — это ток, протекающий из-за емкости. Как вы уже знаете, когда на конденсатор подается постоянный ток, возникает первоначальный скачок, после чего ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора приводится в действие высокочастотным сигналом, схема управления по существу видит только конденсатор небольшой емкости.Для низких и промежуточных частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или когда задействовано много полевых транзисторов, схема возбуждения должна обеспечивать больший ток.

Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете заряжать его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать проводить бесконечно долго, но он будет продолжать проводить, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения.Вы можете убедиться, что он отключился, если вы подключите понижающий резистор между затвором и истоком.

Сильноточные клеммы:
«Управляемые» клеммы называются истоком и стоком. Это клеммы, отвечающие за пропускание тока через транзистор.

Пакеты транзисторов:
МОП-транзисторы используют те же «корпуса», что и биполярные транзисторы. Наиболее распространенным в автомобильном стереоусилителе в настоящее время является корпус TO-220 (показан выше).

Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с 3 различными напряжениями затвора.Вы должны увидеть, что на резисторе нет напряжения, когда напряжение затвора составляет около 2,5 вольт. Это означает, что ток не течет, потому что транзистор не открыт. Когда транзистор частично включен, на обоих компонентах наблюдается падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение затвора около 4,5 В), полное напряжение питания подается на резистор, и на транзисторе практически нет падения напряжения. Это означает, что оба вывода (исток и сток) транзистора имеют по существу одинаковое напряжение.Когда транзистор полностью включен, нижний вывод резистора эффективно заземлен.

В следующей демонстрации вы можете увидеть, что к лампе подключен полевой транзистор.Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью выключена. Нет тока, протекающего через лампу или полевой транзистор. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (на это указывает восходящая желтая линия и точка пересечения кривой зарядки конденсатора с белой линией, идущей слева направо. Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначено падающей зеленой линией и точкой, где зеленая кривая пересекается с белой линией).Когда напряжение затвора приближается к пороговому значению (~ 3,5 В), напряжение на лампе начинает расти. Чем больше он увеличивается, тем ярче становится лампа. После того, как напряжение на затворе достигнет примерно 4 вольт, вы увидите, что лампочка полностью горит (на ее выводах есть полные 12 вольт). Напряжение на полевом транзисторе практически отсутствует. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен при напряжении ниже 3 вольт и полностью включен после четырех вольт. Любое напряжение затвора ниже 3 В практически не влияет на полевой транзистор.Выше 4 вольт мало влияет.

Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа полевого МОП-транзистора максимальное безопасное напряжение затвора составляет ± 20 вольт. Если на затвор (относительно источника) будет подано более 20 вольт, это приведет к разрушению транзистора. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение будет проходить через изолятор, который отделяет затвор от части стока / истока полевого транзистора.

Ток:
Как и биполярные транзисторы, каждый полевой транзистор предназначен для безопасной передачи определенного количества тока.Если температура полевого транзистора выше 25 ° C (приблизительно 77 градусов Фаренгейта), «безопасные» токонесущие способности транзистора будут уменьшены. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться при повышении температуры. Когда температура приближается к максимальной безопасной рабочей температуре, номинальный ток транзистора приближается к нулю.

Напряжение:
полевых транзисторов будут повреждены, если будет превышено указанное максимальное напряжение сток-исток. Информационный листок можно получить у производителя.Лист данных предоставит вам всю информацию, необходимую для его использования.

Рассеиваемая мощность: полевые транзисторы
похожи на биполярные транзисторы с точки зрения корпусов и рассеиваемой мощности, и вы можете вернуться по этой ссылке на страницу биполярных транзисторов для получения дополнительной информации. Нажмите кнопку «назад», чтобы вернуться.

Как и когда взрываются полевые МОП-транзисторы

Высокие температуры и рабочие условия за пределами безопасной рабочей зоны могут вывести из строя полевые МОП-транзисторы, используемые в схемах переключения.

MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) является основным компонентом в схемах преобразования энергии и коммутации для таких приложений, как приводы двигателей и импульсные источники питания (SMPS).МОП-транзисторы имеют высокое входное сопротивление затвора, а ток, протекающий через канал между истоком и стоком, регулируется напряжением затвора. Однако при неправильном обращении и защите высокий входной импеданс и усиление также могут привести к повреждению полевого МОП-транзистора из-за перенапряжения или слишком высокого тока.

Сначала несколько основных принципов предотвращения повреждения полевого МОП-транзистора. Очевидно, что V _gs и V _ds должны находиться в определенных пределах. То же по току, я _d . Также существует ограничение мощности, определяемое максимальной температурой перехода.Базовые значения для верхнего максимума этих параметров приведены на графике безопасной рабочей области (SOA) в таблице данных MOSFET. Но оказывается, могут применяться и другие тепловые ограничения. График SOA, например, обычно предполагает температуру окружающей среды 25 ° C с определенной температурой перехода, обычно ниже 150 ° C.Но существует множество условий, которые могут вызвать высокие температурные градиенты, которые могут привести к расширению и растрескиванию MOSFET умирают.

Одним из факторов, который следует учитывать в этом отношении, является то, что термическое сопротивление MOSFET является средним; он применяется, если вся матрица имеет одинаковую температуру.Но полевые МОП-транзисторы, предназначенные для импульсных источников питания, могут испытывать большие колебания температуры в разных областях своего кристалла. Оптимизированные для включения / выключения, они обычно плохо работают в своей линейной области.

Типичный режим отказа полевого МОП-транзистора — короткое замыкание между истоком и стоком. В этом случае только импеданс источника питания ограничивает пиковый ток. Обычным результатом прямого короткого замыкания является плавление матрицы и металла, что в конечном итоге приводит к размыканию цепи. Например, достаточно высокое напряжение, приложенное между затвором и истоком (V _GS ), разрушит оксид затвора MOSFET.Гейтс, рассчитанный на 12 В, скорее всего, откажется от напряжения около 15 В или около того; ворота с номинальным напряжением 20 В обычно выходят из строя при напряжении около 25 В.

В общем, превышение номинального напряжения MOSFET всего на несколько наносекунд может его разрушить. Производители устройств рекомендуют консервативно выбирать полевые МОП-транзисторы для ожидаемых уровней напряжения и дополнительно рекомендуют подавлять любые всплески напряжения или звонки.

Слишком маленький привод затвора
Устройства MOSFET предназначены для рассеивания минимальной мощности при включении.Кроме того, полевой МОП-транзистор должен быть включен жестко, чтобы свести к минимуму рассеивание во время проводимости, иначе он будет иметь высокое сопротивление во время проводимости и будет рассеивать значительную мощность в виде тепла.

Вообще говоря, полевой МОП-транзистор, пропускающий большой ток, нагревается. Плохой теплоотвод может повредить МОП-транзистор из-за чрезмерной температуры. Один из способов избежать слишком высокого тока — это параллельное соединение нескольких полевых МОП-транзисторов, чтобы они разделяли ток нагрузки.

Многие P- и N-канальные МОП-транзисторы используются в топологиях, включающих конфигурацию H- или L-моста между шинами напряжения. Здесь, если управляющие сигналы на полевые МОП-транзисторы перекрываются, транзисторы эффективно закорачивают питание. Это состояние известно как прострел. Когда он возникает, любые разделительные конденсаторы питания быстро разряжаются через оба полевых МОП-транзистора во время каждого переключения, вызывая короткие, но большие импульсы тока.

Способ избежать этого условия — обеспечить мертвое время между переключениями, в течение которого ни один из полевых МОП-транзисторов не включен.

Перегрузки по току даже на короткое время могут вызвать прогрессирующее повреждение полевого МОП-транзистора, часто с небольшим заметным повышением температуры перед отказом. МОП-транзисторы часто имеют высокий пиковый ток, но они обычно предполагают пиковые токи продолжительностью только 300 мкс или около того. При переключении индуктивных нагрузок особенно важно завышать максимальную мощность полевых МОП-транзисторов.

При переключении индуктивных нагрузок должен быть путь, по которому обратная ЭДС может свободно вращаться при выключении полевого МОП-транзистора. Свободный ход — это внезапный скачок напряжения, наблюдаемый на индуктивной нагрузке, когда ее напряжение питания внезапно прерывается. МОП-транзисторы с расширенным режимом работы содержат диод, обеспечивающий эту защиту.

Резонансные цепи с высокой добротностью могут накапливать значительную энергию за счет своей индуктивности и емкости. При определенных условиях эта высокая энергия заставляет ток свободно проходить через внутренние диоды корпуса полевых МОП-транзисторов, когда один полевой МОП-транзистор выключается, а другой включается.(Внутренний диод образуется в pn переходе корпус-сток, подключенном между стоком и истоком. В устройствах с N-каналом анод основного диода соединяется со стоком. В P-канальных MOSFET полярность обратной полярности.) Проблема может возникают из-за медленного выключения (или обратного восстановления) внутреннего диода, когда противоположный MOSFET пытается включиться.

обычно имеют длительное время обратного восстановления по сравнению с характеристиками самих полевых МОП-транзисторов. Если основной диод одного полевого МОП-транзистора проводит ток при включенном противостоящем устройстве, возникает короткое замыкание, напоминающее состояние прострела.Для решения этой проблемы используются диод Шоттки и диод с быстрым восстановлением. Диод Шоттки подключается последовательно с источником MOSFET и предотвращает прямое смещение основного диода MOSFET током свободного хода. Высокоскоростной диод (быстрое восстановление) подключается параллельно паре MOSFET / Schottky. Это позволяет току свободного хода полностью обходить полевой МОП-транзистор и Шоттки. Это гарантирует, что корпусный диод MOSFET никогда не перейдет в режим проводимости.

Переходы
МОП-транзистор рассеивает мало энергии во время его устойчивого включения и выключения, но он рассеивает значительную энергию во время перехода. Таким образом, желательно переключаться как можно быстрее, чтобы минимизировать рассеиваемую мощность. Поскольку затвор полевого МОП-транзистора является в основном емкостным, ему требуются значительные импульсы тока для зарядки и разрядки затвора за несколько десятков наносекунд. Пиковый ток затвора может достигать ампера.

Высокий импеданс входов MOSFET может привести к проблемам со стабильностью. При определенных условиях высоковольтные полевые МОП-транзисторы могут колебаться на высоких частотах из-за паразитной индуктивности и емкости в окружающей цепи (частоты обычно находятся в диапазоне низких мегагерц). Изготовители устройств рекомендуют использовать схему управления затвором с низким импедансом, чтобы предотвратить попадание паразитных сигналов на затвор MOSFET.

Список литературы

ON Semiconductor
onsemi.com

% PDF-1.2 % 127 0 объект > endobj xref 127 85 0000000016 00000 н. 0000002051 00000 н. 0000002462 00000 н. 0000002752 00000 н. 0000003218 00000 н. 0000003241 00000 н. 0000005533 00000 н. 0000006625 00000 н. 0000006896 00000 н. 0000006919 00000 н. 0000008976 00000 н. 0000008999 00000 н. 0000011045 00000 п. 0000011068 00000 п. 0000013098 00000 п. 0000013121 00000 п. 0000015177 00000 п. 0000015200 00000 н. 0000017249 00000 п. 0000017272 00000 п. 0000019315 00000 п. 0000019338 00000 п. 0000021480 00000 п. 0000021522 00000 п. 0000021543 00000 п. 0000021839 00000 п. 0000021862 00000 п. 0000024389 00000 п. 0000024412 00000 п. 0000027530 00000 п. 0000027553 00000 п. 0000029667 00000 п. 0000029690 00000 н. 0000034645 00000 п. 0000034668 00000 н. 0000037495 00000 п. 0000037518 00000 п. 0000042934 00000 п. 0000042957 00000 п. 0000048906 00000 н. 0000048929 00000 н. 0000055778 00000 п. 0000055801 00000 п. 0000062740 00000 п. 0000062763 00000 п. 0000068694 00000 п. 0000068717 00000 п. 0000074374 00000 п. 0000074397 00000 п. 0000079414 00000 п. 0000079437 00000 п. 0000085012 00000 п. 0000085035 00000 п. 0000089323 00000 п. 0000089346 00000 п. 0000093488 00000 п. 0000093511 00000 п. 0000097738 00000 п. 0000097761 00000 п. 0000102375 00000 п. 0000102398 00000 п. 0000105972 00000 н. 0000105995 00000 н. 0000109924 00000 н. 0000109947 00000 н. 0000113895 00000 н. 0000113918 00000 н. 0000118461 00000 п. 0000118484 00000 н. 0000122698 00000 н. 0000122721 00000 н. 0000126299 00000 н. 0000126322 00000 н. 0000130395 00000 н. 0000130418 00000 н. 0000134476 00000 н. 0000134499 00000 н. 0000136069 00000 н. 0000136092 00000 н. 0000139610 00000 н. 0000139633 00000 н. 0000142278 00000 н. 0000142299 00000 н. 0000002130 00000 н. 0000002440 00000 н.