Mosfet транзисторы принцип работы

CAMOKAT-BETEPAHA › Блог › Мосфеты — это не конфеты.

Мосфеты — разновидность полевых транзисторов, очень полезная штука, если правильно его подобрать, подключить и использовать. Я их люблю применять в поделках. Маломощные в основном для экономичности потребления тока, мощные для коммутации амперных нагрузок и для силовых ключей в ШИМ- схемах и генераторах.

В отличие от простых биполярных транзисторов управляются они не током а напряжением. Управляющий электрод — затвор по сути является одним контактом простого неполярного конденсатора малой емкости.

В логических пятивольтовых схемах очень хорошо применять «логические» мосфеты — транзисторы, которые управляются напрямик с ножек микроконтроллера.

При подборе и выборе мощного мосфета нужно учитывать его основные параметры, это максимальное напряжение на его ножках, сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии и напряжение на затворе, достаточное полностью открыть мосфет. Для логических мосфетов это напряжение в основном чуть ниже пяти вольт.

При подключении мощных нагрузок на первый план выступает проходное сопротивление сток — исток в открытом состоянии. Чем больше коммутируемый ток — тем важнее этот праметр. В даташитах этот параметр всегда на первой странице отдельной строкой.

Чем меньше этот параметр, тем меньше тепла будет выделяться мосфетом при работе. Даже небольшое изменение этого параметра приводит к большим разностям в выделении тепла.

Для примера я собрал тестовую схему:

Для замеров я использовал два мультиметра. Напряжение на затвор от нуля до максимума я подавал через проволочный многооборотный резистор СП5-3. Подопытным транзистором был 2SK3918.

Вот таблица замеров:

Данные конечно получились не совсем точные, но для общего сведения пойдет.
Пояснения:

GS — напряжение между затвором и минусом схемы, которое поступает с подстроечного резистора

DS — напряжение падения на транзисторе.

I — ток нагрузки — лампочки.

Далее применив Закон Ома вычислилась мощность W и сопротивление R. Вот это сопротивление и указывается в даташитах. Красным отмечена слишком большая мощность нагрева транзистора — мосфет полностью не открыт.

При использовании в качестве мощных ШИМ-ключей для регулировки яркости светодиодов и ламп нельзя задирать частоту импульсов высоко. Достаточно держать её чуть выше 50 Герц. Например така частота у штатных панелей приборов оптитрон и у штатных ДХО из ламп дальнего света » в пол накала» в тойотах. Если использовать более высокие частоты (килогерцы и выше) затвор мосфета начинает хорошо проводить ток и для раскачки его необходимо усложнять схему или использовать специальные драйверы.

Как показала практика мосфет 2SK3918 спокойно без радиатора в воздухе выдерживает 60-ти ватовую лампочку, оставаясь слегка теплым при напряжении на затворе в пять вольт. При подключении ШИМ генератора со скважностью 30-50% вообще холодный.

Транзисторы: схема, принцип работы,​ чем отличаются биполярные и полевые

Транзистор — повсеместный и важный компонент в современной микроэлектронике. Его назначение простое: он позволяет с помощью слабого сигнала управлять гораздо более сильным.

В частноти, его можно использовать как управляемую «заслонку»: отсутствием сигнала на «воротах» блокировать течение тока, подачей — разрешать. Иными словами: это кнопка, которая нажимается не пальцем, а подачей напряжения. В цифровой электронике такое применение наиболее распространено.

Транзисторы выпускаются в различных корпусах: один и тот же транзистор может внешне выглядеть совершенно по разному. В прототипировании чаще остальных встречаются корпусы:

Обозначение на схемах также варьируется в зависимости от типа транзистора и стандарта обозначений, который использовался при составлении. Но вне зависимости от вариации, его символ остаётся узнаваемым.

Биполярные транзисторы

Биполярные транзисторы (BJT, Bipolar Junction Transistors) имеют три контакта:

Основной характеристикой биполярного транзистора является показатель h_fe также известный, как gain. Он отражает во сколько раз больший ток по участку коллектор–эмиттер способен пропустить транзистор по отношению к току база–эмиттер.

Например, если h_fe = 100, и через базу проходит 0.1 мА, то транзистор пропустит через себя как максимум 10 мА. Если в этом случае на участке с большим током находится компонент, который потребляет, например 8 мА, ему будет предоставлено 8 мА, а у транзистора останется «запас». Если же имеется компонент, который потребляет 20 мА, ему будут предоставлены только максимальные 10 мА.

Также в документации к каждому транзистору указаны максимально допустимые напряжения и токи на контактах. Превышение этих величин ведёт к избыточному нагреву и сокращению службы, а сильное превышение может привести к разрушению.

NPN и PNP

Описанный выше транзистор — это так называемый NPN-транзистор. Называется он так из-за того, что состоит из трёх слоёв кремния, соединённых в порядке: Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

Полевые транзисторы

Полевые транзисторы (FET, Field Effect Transistor) имеют то же назначение, но отличаются внутренним устройством. Частным видом этих компонентов являются транзисторы MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor). Они позволяют оперировать гораздо большими мощностями при тех же размерах. А управление самой «заслонкой» осуществляется исключительно при помощи напряжения: ток через затвор, в отличие от биполярных транзисторов, не идёт.

Полевые транзисторы обладают тремя контактами:

N-Channel и P-Channel

По аналогии с биполярными транзисторами, полевые различаются полярностью. Выше был описан N-Channel транзистор. Они наиболее распространены.

P-Channel при обозначении отличается направлением стрелки и, опять же, обладает «перевёрнутым» поведением.

Подключение транзисторов для управления мощными компонентами

Типичной задачей микроконтроллера является включение и выключение определённого компонента схемы. Сам микроконтроллер обычно имеет скромные характеристики в отношении выдерживаемой мощности. Так Ардуино, при выдаваемых на контакт 5 В выдерживает ток в 40 мА. Мощные моторы или сверхъяркие светодиоды могут потреблять сотни миллиампер. При подключении таких нагрузок напрямую чип может быстро выйти из строя. Кроме того для работоспособности некоторых компонентов требуется напряжение большее, чем 5 В, а Ардуино с выходного контакта (digital output pin) больше 5 В не может выдать впринципе.

Зато, его с лёгкостью хватит для управления транзистором, который в свою очередь будет управлять большим током. Допустим, нам нужно подключить длинную светодиодную ленту, которая требует 12 В и при этом потребляет 100 мА:

Теперь при установке выхода в логическую единицу (high), поступающие на базу 5 В откроют транзистор и через ленту потечёт ток — она будет светиться. При установке выхода в логический ноль (low), база будет заземлена через микроконтроллер, а течение тока заблокированно.

Обратите внимание на токоограничивающий резистор R. Он необходим, чтобы при подаче управляющего напряжения не образовалось короткое замыкание по маршруту микроконтроллер — транзистор — земля. Главное — не превысить допустимый ток через контакт Ардуино в 40 мА, поэтому нужно использовать резистор номиналом не менее:

здесь U_d — это падение напряжения на самом транзисторе. Оно зависит от материала из которого он изготовлен и обычно составляет 0.3 – 0.6 В.

Но совершенно не обязательно держать ток на пределе допустимого. Необходимо лишь, чтобы показатель gain транзистора позволил управлять необходимым током. В нашем случае — это 100 мА. Допустим для используемого транзистора h_fe = 100, тогда нам будет достаточно управляющего тока в 1 мА

Нам подойдёт резистор номиналом от 118 Ом до 4.7 кОм. Для устойчивой работы с одной стороны и небольшой нагрузки на чип с другой, 2.2 кОм — хороший выбор.

Если вместо биполярного транзистора использовать полевой, можно обойтись без резистора:

это связано с тем, что затвор в таких транзисторах управляется исключительно напряжением: ток на участке микроконтроллер — затвор — исток отсутствует. А благодаря своим высоким характеристикам схема с использованием MOSFET позволяет управлять очень мощными компонентами.

Полевой транзистор MOSFET

в Справочник 0 1,763 Просмотров

Транзистор является полупроводниковым электронным компонентом. Мы относим его к активным элементам схемы, поскольку он позволяет преобразовывать электрические сигналы (нелинейно).

Полевой транзистор или MOSFET ( Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) — полевый транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник. Поэтому его часто еще называют просто МОП транзистор.

Производимые по этой технологий транзисторы состоят из трех слоев:

• Первый слой — это пластина, вырезанная из однородного кристалла кремния или из кремния с примесью германия.
• Второй по порядку слой — напыление очень тонкой прослойки диэлектрика (изолятора) из диоксида кремния или оксида металла (оксиды алюминия или циркония). Толщина этого слоя составляет, в зависимости от технологии исполнения, около 10 нм, а в лучшем варианте толщина этого слоя может иметь около 1,2 нм. Для сравнения: 5 атомов кремния, расположенных друг над другом вплотную как раз составляют толщину, близкую к 1,2 нм.
• Третий слой – это слой состоит из хорошо проводящего металла. Чаще всего для этой цели используют золото.

Конструкция такого транзистора схематично представлена ниже:

Следует отметить, что полевые транзисторы бывают двух типов: N-типа и P-типа, почти так же, как и в случае с биполярными транзисторами, которые производятся в вариантах PNP и NPN.

Среди полевых транзисторов гораздо чаще встречается N-тип. Кроме того, существуют полевые транзисторы:

• с обедненным каналом, то есть такие, которые пропускают через себя слабый ток при отсутствии напряжении на затворе, и чтобы полностью его запереть необходимо подать на затвор обратное смещение в пару вольт;
• с обогащенным каналом – это такой вид полевых транзисторов, которые при отсутствии напряжения на затворе не проводят ток, а проводят его лишь тогда, когда напряжение, приложенное к затвору, превышает напряжение истока.

Большим преимуществом полевых транзисторов является то, что они управляются напряжением, в отличие от биполярных транзисторов, которые управляются током.

Легче понять принцип их действия полевого транзистора на примере гидравлического крана.

Чтобы управлять потоком жидкости под высоким давлением в большой трубе, требуется мало усилий, чтобы открыть или закрыть кран. Другими словами, при небольшом объеме работы, мы получаем большой эффект. Небольшая сила, которую мы прикладываем к ручке крана управляет намного большей силой воды, которая давит на клапан.

Благодаря этому свойству полевых транзисторов, мы можем управлять токами и напряжениями, которые намного выше, чем те, которые выдает нам, например, микроконтроллер.

Как уже было отмечено ранее, обычный MOSFET, как правило, не проводит ток на пути источник – сток. Чтобы перевести такой транзистор состояние проводимости необходимо подать напряжение между истоком и затвором так, как указано на рисунке ниже.

На следующем рисунке приведена вольт-амперная характеристика транзистора IRF540.

На графике видно, что транзистор начинает проводить тогда, когда напряжение между затвором и истоком приближается к 4В. Однако для полного открытия нужно почти 7 вольт. Это гораздо больше, чем может выдать микроконтроллер на выходе.

В некоторых случаях может быть достаточным ток на уровне 15 мА и напряжением 5В. Но что делать, если это слишком мало? Есть два выхода.

1. Можно применить специальные МОП-транзисторы с пониженным напряжением затвор – исток, например, BUZ10L.
2. Как вариант можно использовать дополнительный усилитель для повышения управляющего напряжения.

Независимо от сферы применения, каждый полевой транзистор имеет несколько ключевых параметров, а именно:

• Допустимое напряжение сток-исток: UDSmax
• Максимальный ток стока: IDmax
• Пороговое напряжение открытия: UGSth
• Сопротивление канала в открытом состоянии: RDSon

Во многих случаях ключевым параметром является RDSon, поскольку косвенно указывает нам на потерю мощности, которая крайне нежелательна.

Для примера возьмем транзистор в корпусе ТО-220 с сопротивлением RDSon = 0,05 Ом и протекающий через этот транзистор ток в 4А.

Давайте посчитаем потери мощности:

• UDS=0,05Ом х 4A=0,2В
• P=0,2В х 4A=0,8Вт

Мощность потерь, которую способен рассеивать транзистор в корпусе ТО-220 составляет чуть более 1 Вт, так что в этом случае можно обойтись без радиатора. Однако, уже для тока 10А потери составят 5Вт, так что без радиатора никак не обойтись.

Следовательно, чем меньше RDSon, тем лучше. Поэтому при выборе MOSFET транзистора для конкретного применения следует всегда принимать во внимание этот параметр.

На практике с увеличением допустимого напряжения UDSmax растет сопротивление исток-сток. По этой причине не следует выбирать транзисторы с большим, чем это требуется UDSmax.

MOSFET ТРАНЗИСТОРЫ ПРОТИВ IGBT

Когда дело доходит до импульсных преобразователей, оба типа транзисторов имеют свои преимущества и недостатки. Но какой из них лучше для данного устройства? В этой статье сравним MOSFET с модулями IGBT чтобы понять, что и где лучше ставить.

Предполагается что в схемах с низким напряжением, низким током, но высокой частотой переключения, предпочтительно использовать полевые транзисторы (MOSFET), а в схемах с высоким напряжением, высоким током, но с низкой частотой — лучше IGBT. Но достаточно ли такой общей классификации? У каждого есть свои дополнительные предпочтения в этом отношении и правда в том, что не существует общего, жесткого стандарта, который позволял бы оценивать параметры данного элемента с точки зрения его использования в импульсных преобразователях. Все зависит от конкретного применения и широкого спектра факторов, таких как частота переключения, размер, стоимость и т. д. Поэтому, вместо того чтобы пытаться решить какой элемент лучше, нужно внимательно изучить различия между этими деталями.

Кратко о MOSFET

MOSFET — это управляемый переключатель с тремя контактами (затвор, сток и исток). Сигнал затвора (управления) подается между затвором и истоком, а контактами переключения являются сток и исток. Сам затвор выполнен из металла и отделен от истока оксидом металла в качестве диэлектрика. Это позволяет снизить энергопотребление и делает этот транзистор отличным выбором для использования в качестве электронного переключателя или усилителя в схеме с общим истоком.

Для правильной работы МОП-транзисторы должны поддерживать положительный температурный коэффициент. Потери во включенном состоянии малы и теоретически сопротивление транзистора в этом состоянии не ограничено — может быть близко к нулю. Кроме того, поскольку МОП-транзисторы могут работать на высоких частотах, они могут работать в устройствах с быстрым переключением и с низкими потерями на переключение.

Существует много различных типов МОП-транзисторов, но наиболее сопоставимыми с IGBT являются мощные MOSFET. Они специально разработаны для работы со значительными уровнями мощности и используются чаще всего только во включенном или выключенном состояниях, что делает их наиболее используемым ключом для низковольтных схем. По сравнению с IGBT, мощные полевые МОП-транзисторы имеют преимущества — более высокую скорость коммутации и более высокую эффективность при работе при низких напряжениях. Более того, такая схема может выдерживать высокое напряжение блокировки и поддерживать высокий ток. Это связано с тем что большинство мощных МОП-структур являются вертикальными (а не плоскими). Номинальное напряжение является прямой функцией легирования и толщины эпитаксиального слоя с примесью N-типа, а ток зависит от ширины канала (чем шире канал, тем выше ток).

Кратко о IGBT

Модуль IGBT также является полностью управляемым коммутатором с тремя контактами (затвор, коллектор и эмиттер). Его управляющий сигнал подается между затвором и эмиттером и нагрузкой между коллектором и эмиттером.

IGBT сочетает в себе простые характеристики управления затвором, как в транзисторе MOSFET, с сильноточным характером биполярного транзистора с низким напряжением насыщения. Это достигается с помощью изолированного полевого транзистора для управляющего входа и биполярного силового транзистора в качестве сильноточного ключа.

Модуль IGBT специально разработан для быстрого включения и выключения. Фактически частота повторения импульсов достигает УЗ диапазона. Эта уникальная способность делает IGBT часто используемыми в усилителях класса D для синтеза сложных сигналов с широтно-импульсной модуляцией и фильтрами нижних частот. Они также используются для генерации импульсов большой мощности в таких областях, как физика элементарных частиц и плазма, а также играют важную роль в современных устройствах — электромобили, электровелосипеды, поезда, холодильники с регулируемой скоростью вращения компрессора, кондиционеры и многое другое.

Сравнение IGBT с MOSFET

Структуры обоих транзисторов очень похожи друг на друга. Что касается протекания тока, важным отличием является добавление слоя подложки P-типа под слой подложки N-типа в структуре модуля IGBT. В этом дополнительном слое дырки вводятся в слой с высоким сопротивлением N-типа, создавая избыток носителей. Это увеличение проводимости в N-слое помогает уменьшить общее напряжение во включенном состоянии в IGBT-модуле. К сожалению, это также блокирует поток электроэнергии в обратном направлении. Поэтому в схему добавлен специальный диод, который расположен параллельно с IGBT чтобы проводить ток в противоположном направлении.

MOSFET может переключаться на более высоких частотах, однако есть два ограничения: время переноса электронов в области дрейфа и время, необходимое для зарядки / разрядки входного затвора и его емкости. Тем не менее эти транзисторы, как правило, достигают более высокой частоты переключения, чем модули IGBT.

Подведем итог

Многие из вышеупомянутых фактов касаются исторической основы обоих устройств. Достижения и технологические прорывы в разработке нового оборудования, а также использование новых материалов, таких как карбид кремния (SiC), привели к значительному улучшению производительности этих радиодеталей за последние годы.

МОП-транзистор:

• Высокая частота переключения.
• Лучшие динамические параметры и более низкое энергопотребление драйвера.
• Более низкая емкость затвора.
• Более низкое термосопротивление, которое приводит к лучшему рассеиванию мощности.
• Более короткое время нарастания и спада, что означает способность работать на более высоких частотах.

IGBT модуль:

• Улучшенная технология производства, которая приводит к снижению затрат.
• Лучшая устойчивость к перегрузкам.
• Улучшенная способность распараллеливания схемы.
• Более быстрое и плавное включение и выключение.
• Снижение потерь при включении и при переключении.
• Снижение входной мощности.

В любом случае модули MOSFET и IGBT быстро заменяют большинство старых полупроводниковых и механических устройств, используемых для управления током. Силовые устройства на основе SiC демонстрируют такие преимущества как меньшие потери, меньшие размеры и более высокая эффективность. Подобные инновации будут продолжать расширять пределы использования MOSFET и IGBT транзисторов для схем с более высоким напряжением и большей мощностью.

Урок 7.1. Полевой транзистор. Первое знакомство.

Ну вот и случилось чудо, наконец я дозрел выложить долгожданную статью iEugene0x7CA про полевой транзистор. Материала получилось достаточно много, поэтому, для адекватного последовательного усвоения, разбил его на несколько частей. Также, внес некоторые корректировки и добавил свой пример (пример автора приберег для следующей статьи), надеюсь он простит меня за это

Итак, начнем с самого начала! Что же это такое?! :О Вероятно вы узрели в названии слово «транзистор»! Да-да, он делает примерно то же, что и биполярный! Это аппарат, при помощи которого можно коммутировать электрический ток при помощи… Вы угадали, электрического тока! Но почему же тогда этот транзистор называется полевым? В поле чтоли растет? И зачем он вообще нам? Мы тут во всю биполярными пользуемся, а вы нам фигню какую-то подсунуть хотите, сударь! Чем биполярный плох?!

Ладно-ладно, замучил вас вопросами, исправляюсь! Мы рассматриваем самый полезный для цифровика тип транзистора- MOSFET! Плох биполярный транзистор, необходимостью поддержания базового тока, и если у маломощных транзисторов с этим проблем нету (у них коэффициент усиления достигает сотен порядков), то у более мощных собратьев коэффициент усиления значительно падает (десятки порядков). Например, нам нужно управлять током 5А, коэффициент усиления 10, значит базовый ток, примерно 500мА, т.е. для поддержания таких зверей открытыми нам банально не хватит тех 30 мА, что выдает нам ножка МК. Допустим, мы уже знаем, что МК не сможет коммутировать 5А через биполяр… А что, если нужно управлять токами в 30, в 50А? К примеру надо управлять каким-нибудь мощным электромотором, соленоидом, или электромагнитом! Что же нас спасет?! Тут то на сцену и выходит MOSFET!

Первые буквы в названии (metall oxide semiconductor) уже сообщают нам о его основном достоинстве- об изолированности затвора. Никакой ток через него не течет, просто подтянул к нему потенциал и можно радоваться жизни, смотреть, как ножка МК может крутить токи под 50А! Но… Везде есть но, да? Все просто, да не на столько… Но мы ведь заинтересовались, правда? Хотите себе в поделку такой крутой транзистор? Тогда читаем дальше!

Для начала стоит запомнить, что ножки у полевого транзистора (рассматриваем N-канальный полевик, аналог NPN биполяра) называются иначе, хотя функции у них те же:
1. Gate (затвор) — управляющая ножка, аналог базы.
2. Drain (сток)- ножка, куда втекает ток, аналог коллектора.
3. Source (исток)- из нее ток вытекает, аналог эмиттера.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Напряжение пробоя сток-исток.
В даташите обозначается Vds, очевидно, это Voltage между drain и source, до которого MOSFET может нормально функционировать, если его превысить, между ножками D и S образуется КЗ, транзистор будет пробит. Что интересно, большая часть полевиков пробиться может без каких-либо для них последствий, главное, чтобы ток при этом не превысил предельного значения Id. После спадения напряжение он продолжит функционировать, как будто бы ничего и не случалось. В даташите эта фича описана строкой Fully Avalanche Rated. Напряжения между D-S у полевиков обычно лежат в пределах 40-600В.

2. Напряжение пробоя затвор-исток.
Vgs, тут все уже не так славно, как со стоком-истоком… Дело в том, что изолирован затвор слоем оксида, и если он пробьется- это уже навсегда, ничего там не восстановится. После этого MOSFET придет в негодность. Типичное значение напряга между затвором и истоком — 20В, иногда 30В. Лучше постараться не превышать этот предел, а еще лучше поставить супрессор между ножками G-S на 18В, дабы в случае всплеска тот травил иголки на землю.

3. Емкость затвора.
Забегаем на перед, да! Затвор- это образно кусок фольги, который лежит на полупроводнике, и от которого отделен диэлектриком. Ничего не напоминает? Да это же получается плоский конденсатор! А у каждого конденсатора есть емкость. Хотя в приложениях вроде «коммутируем электромагнит!» этот параметр весьма безобиден, в ВЧ схемах он становится настоящей засадой, и где чем он меньше- тем лучше. Для сигнальных MOSFET он составляет сотни пФ, для средних около 1 нФ, для силовых под 2-6 нФ!

4. Сопротивление сток-исток от напряжения на затворе(зависимость).
Думали, подтянем к затвору любое напряжение, например 1В, и дело в шляпе? Сможем коммутировать 50А? А вот как бы не так! Как еще говорится «биполяры управляются током, а полевики напряжением!», доля правды в этом есть. Но… Разве я не говорил, что это полезный транзистор для цифровика? В линейном режиме MOSFET почти никто не использует, наоборот это паразитный режим, нам нужны только 1 и 0, т.е. полностью открыт или полностью закрыт. Это значит, что полезно нам лишь значение RdsON, т.е. максимально низкое сопротивление сток-исток, когда на затворе не 1, не 2, а желательно не менее 12В, лучше даже 15!
Значение RdsON есть в даташите, и сильно зависит от Vds. Чем Vds выше, тем выше RdsON. По этому нельзя ставить высоковольтные MOSFET в низковольтные сильноточные схемы, они будут представлять собой уже не КЗ(в открытом состоянии), а резистор, а резисторы имеют свойство нагреватся. Нам же это не надо, правда?
Типичное значение RdsON- 100 мОм для 500В полевика и 5 мОм для хорошего низковольтного.

Есть еще масса параметров, вроде емкости между ножками(десятки пФ), индуктивности ножки внутри корпуса(единицы нГн), но это уже для профи и ВЧ резонансных схем, нам для знакомства это пока не нужно.
Так же стоит заметить, что параметры «Absolyte maximum» не являются номинальными, они предельные! То есть, если в даташите указано, что Id кристалла= 110А, это не означает, что кристалл сможет через себя их пропустить, это означает, что при 110А он взорвется. Ток можно пускать любой, но не выше этого значения.

Итак, параметры мы уже знаем, но как управлять им? Как мы уже упоминали, затвор вроде как изолирован, и что у него есть емкость, и что он представляет собой конденсатор… Одна обладка- это затвор, а вторая как бы подключена к ножке исток. Работать с MOSFET в принципе очень просто, зарядил этот внутренний конденсатор- транзистор открылся! Разрядил куда-нибудь- транзистор закрылся! Хе-хей! Кроме тока на эту зарядку больше ничего не требуется, не нужно, как в биполяре, постоянно поддерживать ток базы. Раз зарядил, и свободен! Транзистор будет оставаться открытым хоть 100 лет и ничего при этом не потреблять, пока конденсатор заряжен. Это его основное преимущество.

В качестве примера, использована лампочка на 12В, 0.1А. Как и у биполярного транзистора к затвору подключены два резистора: R1 подтягивает к затвор к земле, чтобы транзистор был наверняка закрыт, когда напряжение не подается. R2 необходим для ограничения тока зарядки, при включении транзистора. Довольно интересный момент это падение напряжения на И-С транзисторе, при текущем токе нагрузки оно составляет 2.1мВ, т.е. мощность выделяемая транзистором P=U*I=0.1*0.0021=0,00021Вт. Достаточно мало.

Теперь поэксперементируем, представим себе нагрузку в 10А, при том же напряжении:

Падение напряжения увеличилось, P=10*0,211=2,1Вт это уже достаточно существенно.

Поэкспериментируем еще — увеличим напряжение затвора до 15В.

P=10*0,168=1,68Вт Получается, что при одном и том же токе нагрузки, транзистор может греться на

20% меньше, что не может не радовать.

В следующий раз, мы рассмотрим использование полевого транзистора, на примере регулятора оборотов двигателя.

xTechx.ru

Новости Высоких Технологий

• Главная
• Новости железа, софта, гаджетов
  • Hardware новости
  • Software новости
  • Гаджеты, устройства, новинки смартфонов и кпк.
• Выбор комлектующих и устройств
• Hi-Tech справочник
• Обратная связь

• Главная
• Новости железа, софта, гаджетов
  • Hardware новости
  • Software новости
  • Гаджеты, устройства, новинки смартфонов и кпк.
• Выбор комлектующих и устройств
• Hi-Tech справочник
• Обратная связь

MOSFET — полевой транзистор. Как работает и для чего используется.

MOSFET (metal–oxide–semiconductor field-effect transistor) – полевой транзистор с изолированным затвором ( МДП – транзистор), затвор которого отделён от канала тонким слоем диэлектрика (обычно двуокись кремния SiO₂).

На диэлектрике нанесён электрод (затвор). Сам транзистор состоит из диэлектрика, полупроводника и металла. Имеет 4 электрода: исток, сток, подложка и затвор. Под воздействием определённого тока (поля), полупроводник начинает проводить электричество (усиленный сигнал с истока к стоку). Регулирует этот процесс затвор, на который подаётся разный ток, для плавной регуляции усиленного сигнала. Определённый ток приходит на исток, затвор позволяет какому то количеству идти на сток.

MOSFET – служит в основном, как усилитель сигнала, либо как выпрямитель, для понижения напряжения до нужного значения.

Принимает источник сигнала и понимает его как электромагнитное колебание, за счёт подаваемой на него мощности (от источника питания — истока) — усиливает сигнал по напряжению и мощности. Подающийся на затвор исходный сигнал малой мощности, в данном случае служит как дирижёр затвора.

Принцип работы полевого транзистора для чайников: для чего он нужен и как работает

Транзисторами (transistors, англ.) называют полупроводниковые триоды у которых расположено три выхода. Их основным свойством является возможность посредством сравнительно низких входных сигналов осуществлять управление высоким током на выходах цепи.

Для радиодеталей, которые используются в современных сложных электроприборах, применяются полевые транзисторы. Благодаря свойствам этих элементов выполняется включение или выключение тока в электрических цепях печатных плат, или его усиление.

Что представляет собой полевой транзистор

Полевые транзисторы — это трех или четырех контактные устройства, в которых ток, идущий на два контакта может регулироваться посредством напряжения электрополя третьего контакта. на двух контактах регулируется напряжением электрического поля на третьем. В результате этого подобные транзисторы называются полевыми.

Название расположенных на устройстве контактов и их функции:

• Истоки – контакты с входящим электрическим током, которые находится на участке n;
• Стоки – контакты с исходящим, обработанным током, которые находятся на участке n;
• Затворы – контакты, находящиеся на участке р, посредством изменения напряжения на котором, выполняется регулировка пропускной способности на устройстве.

Полевые транзисторы с n-p переходами – особые виды, позволяющие управлять током. От простых они, как правило, отличаются тем, через них протекает ток, без пересечения участка р-n переходов, участка который образуется на границах этих двух зон. Размеры р-n участка являются регулируемыми.

Видео «Подробно о полевых транзисторах»

Виды полевых транзисторов

Полевой транзистор с n-р переходами подразделяется на несколько классов в зависимости:

1. От типа каналов проводников: n или р. Каналы воздействую на знаки, полярности, сигналы управления. Они должны быть противоположны по знакам n-участку.
2. От структуры приборов: диффузных, сплавных по р -n — переходам, с затворами Шоттки, тонкопленочными.
3. От общего числа контактов: могут быть трех или четырех контактными. Для четырех контактных приборов, подложки также являются затворами.
4. От используемых материалов: германия, кремния, арсенид галлия.

В свою очередь разделение классов происходит в зависимости от принципа работы транзистора:

• устройства под управлениями р-n переходов;
• устройства с изолированными затворами или с барьерами Шоттки.

Принцип работы полевого транзистора

Говоря простыми словами о том, как работает полевой транзистор для чайников с управляющими p-n переходами, стоит отметить: радиодетали состоят из двух участков: p-переходов и n-переходов. По участку n проходит электроток. Участок р является перекрывающей зоной, неким вентилем. Если оказывать определенное давление на нее, то она будет перекрывать участок и препятствовать прохождению тока. Либо, же наоборот, при снижении давления количество проходящего тока возрастет. В результате такого давления осуществляется увеличение напряжения на контактах затворов, находящихся на участке р.

Приборы с управляющими p-n канальными переходами — это полупроводниковые пластины, имеющие электропроводность с одним из данных типов. К торцевым сторонам пластин выполняется подсоединение контактов: стока и истока, в середину — контакты затвора. Принцип работы прибора основан на изменении пространственных толщин p-n переходов. Так как в запирающих областях практически отсутствуют подвижные носители заряда, их проводимость равняется нулю. В полупроводниковых пластинах, на участках которых не воздействует запирающий слой, создаются проводящие ток каналы. Если подается отрицательное напряжение в отношении истока, на затворе образуется поток, через который протекают носителя заряда.

Для изолированных затворов, характерно расположение на них тонкого слоя диэлектрика. Такое устройство работает по принципу электрических полей. Для его разрушения понадобится всего лишь небольшое электричество. В связи с этим, чтобы предотвратить статическое напряжение, которое может превышать 1000 В, необходимо создание специальных корпусов для приборов, которые минимизируют эффект от воздействия вирусных типов электричества.

Для чего нужен полевой транзистор

При рассмотрении работы сложных видов электротехники, стоит рассмотреть работу такого важного компонента интегральной схемы, как полевой транзистор. Основная задача от использования данного элемента заключается в пяти ключевых направлениях, в связи с чем транзистор применяется для:

1. Усиления высокой частоты.
2. Усиления низкой частоты.
3. Модуляции.
4. Усиления постоянного тока.
5. Ключевых устройств (выключателей).

В качестве простого примера работа транзистора-выключателя, может быть представлена как микрофон и лампочка в одной компановке. Благодаря микрофону улавливаются звуковые колебания, что влияет на появление электрического тока, поступающего на участок запертого устройства. Присутствие тока влияет на включение устройства и включение электрической цепи, к которой подключаются лампочки. Последние загораются после того как микрофон уловил звук, но горят они за счет источников питания не связанных с микрофоном и более мощных.

Модуляцию применяют с целью управления информационными сигналами. Сигналы управляют частотами колебаний. Модуляцию применяют для качественных звуковых радиосигналов, для передачи звуковых частот в телевизионные передачи, для трансляции цветовых изображений и телевизионных сигналов с высоким качеством. Модуляцию применяют повсеместно, где нужно проводить работу с высококачественными материалами.

Как усилители полевые транзисторы в упрощенном виде работают по такому принципу: графически любые сигналы, в частности, звукового ряда, могут быть представлены как ломаная линия, где ее длиной является временной промежуток, а высотой изломов – звуковая частотность. Чтобы усилить звук к радиодетали подается поток мощного напряжения, приобретаемого нужную частотность, но с более большим значением, из-за подачи слабых сигналов на управляющие контакты. Иначе говоря, благодаря устройству происходит пропорциональная перерисовка изначальной линии, но с более высоким пиковым значением.

Как применять полевой транзистор для чайников

Первыми приборами, которые поступили на рынок для реализации, и в которых были использованы полевые транзисторы с управляющими p-n переходами, были слуховые аппараты. Их изобретение состоялось еще в пятидесятые годы XX века. В более крупным масштабах они применялись, как элементы для телефонных станций.

В наше время, применение подобных устройств можно увидеть во многих видах электротехники. При наличии маленьких размеров и большому перечню характеристик, полевые транзисторы встречаются в кухонных приборах (тостерах, чайниках, микроволновках), в устройстве компьютерной, аудио и видео техники и прочих электроприборах. Они используются для сигнализационных систем охраны пожарной безопасности.

На промышленных предприятиях транзисторное оборудование применяют для регуляции мощности на станках. В сфере транспорта их устанавливают в поезда и локомотивы, в системы впрыскивания топлива на личных авто. В жилищно-коммунальной сфере транзисторы позволяют следить за диспетчеризацией и системами управления уличного освещения.

Также самая востребованная область, в которой применяются транзисторы – изготовление комплектующих, используемых в процессорах. Устройство каждого процессора предусматривает множественные миниатюрные радиодетали, которые при повышении частоты более чем на 1,5 ГГц, нуждаются в усиленном потреблении энергии. В связи с этими разработчики процессорной техники решил создавать многоядерные оборудования, а не увеличивать тактовую частоту.

Достоинства и недостатки полевых транзисторов

Использование полевых транзисторов благодаря их универсальным характеристикам позволило обойти другие виды транзисторов. Они широко применяются для интегральной схемы в качестве выключателя.

• каскады детали расходуют малое количество энергии;
• показатели усиления превышают, значения других аналогичных устройств;
• достижение высокой помехоустойчивости осуществляется за счет того, что отсутствует ток в затворе;
• обладают более высокой скоростью включения и выключения, работают с недоступными для других транзисторов частотами.

• менее устойчивы к высоким температурам, которые приводят к разрушению;
• на частотах более 1,5 ГГц, количество потребляемой энергии стремительно увеличивается;
• чувствительны к статическим видам электричества.

Благодаря характеристикам, которыми обладают полупроводниковые материалы, взятые в качестве основы для полевого транзистора, позволяют использовать устройство в бытовой и производственной сфере. Полевыми транзисторами оснащается различная бытовая техника, которая используется современным человеком.

Видео «Устройство и принцип работы полевого транзистора»