kategoriler: Öne Çıkan Makaleler » Pratik Elektronik
Görüntülenme sayısı: 174,150
Makaleye yorum: 6
Alan etkili transistörler: çalışma prensibi, devreler, çalışma modları ve modelleme
Daha önce inceledik bipolar transistörler cihazı ve çalışmasıŞimdi alan etkili transistörlerin ne olduğunu bulalım. Alan etkili transistörler hem eski devrelerde hem de modernde çok yaygındır. Günümüzde, yalıtımlı bir kapıya sahip cihazlar daha fazla kullanılmaktadır, alan etkili transistörlerin tipleri ve bugünkü özellikleri hakkında konuşacağız. Makalede, ayrı yerlerde bipolar transistörler ile karşılaştırmalar yapacağım.
tanım
Bir alan etkili transistörü, bir elektrik alanı tarafından kontrol edilen yarı iletken tamamen kontrol edilebilir bir anahtardır. Bu, akım tarafından kontrol edilen bipolar transistörlerden uygulama açısından ana farktır. Bir elektrik alanı, kaynağa göre kapıya uygulanan bir voltaj tarafından oluşturulur. Kontrol voltajının polaritesi transistör kanalının tipine bağlıdır. Elektronik vakum tüpleri ile iyi bir benzerlik vardır.
Alan etkili transistörler için başka bir isim tek kutupludur. "UNO" bir anlamına gelir. Alan etkili transistörlerde, kanal tipine bağlı olarak, akım delikler veya elektronlar tarafından sadece bir tip taşıyıcı tarafından gerçekleştirilir. Bipolar transistörlerde, akım, cihaz tipine bakılmaksızın iki tip şarj taşıyıcısından (elektronlar ve delikler) oluşturuldu. Genel durumda alan etkili transistörler aşağıdakilere ayrılabilir:
-
kontrol pn eklemli transistörler;
-
yalıtımlı kapı transistörleri.
Her ikisi de n-kanal ve p-kanal olabilir, anahtarı açmak için birincinin kapısına pozitif bir kontrol voltajı uygulanmalı ve ikincisi için kaynağa göre negatif olmalıdır.
Tüm alan etkili transistörlerin üç çıkışı vardır (bazen 4, ancak nadiren sadece Sovyet'te tanıştım ve davaya bağlandı).
1. Kaynak (taşıyıcı kaynak, bipolar yayıcı analog).
2. Stoke (kaynaktan bir yük taşıyıcıları kaynağı, bir bipolar transistörün toplayıcının bir analogu).
3. Deklanşör (kontrol elektrodu, lambalardaki bir ızgaranın analogu ve bipolar transistörlere dayalı).
PN Transistör Transistör
Transistör aşağıdaki alanlardan oluşur:
1. Kanal;
2. Stok;
3. Kaynak;
4. Deklanşör.
Resimde böyle bir transistörün şematik bir yapısını görüyorsunuz, bulgular kapının, kaynağın ve tahliyenin metalize bölümlerine bağlanıyor. Belirli bir devrede (bu bir p-kanal cihazıdır), kapı bir n-katmandır, kanal bölgesinden (p-katmanı) daha az dirençlidir ve p-n bağlantı bölgesi bu nedenle p bölgesinde daha fazla yer alır.
Koşullu grafik gösterimi:
a - alan etkili transistör n tipi, b - alan etkili transistör p tipi
Hatırlamayı kolaylaştırmak için, okun p bölgesinden n bölgesine işaret ettiği diyotun adını hatırlayın. Burada da.
İlk durum harici voltaj uygulamaktır.
Böyle bir transistöre, artı drenaja ve kaynağa eksi voltaj uygulanırsa, içinden büyük bir akım akarsa, sadece kanal direnci, harici dirençler ve güç kaynağının dahili direnci ile sınırlandırılacaktır. Normalde kapalı bir anahtarla bir benzetme çizebilirsiniz. Bu akıma Istart veya Us = 0'daki ilk drenaj akımı denir.
Kapıya uygulanan kontrol voltajı olmadan, pn bağlantı kontrollü bir alan etkili transistör mümkün olduğunca açıktır.
Tahliye ve kaynağa giden voltaj bu şekilde uygulanır:
Ana yük taşıyıcıları kaynak aracılığıyla tanıtıldı!
Bu, transistör p-kanalıysa, güç kaynağının pozitif çıkışının kaynağa bağlandığı anlamına gelir, çünkü ana taşıyıcılar deliklerdir (pozitif yük taşıyıcıları) - bu delik iletkenliği olarak adlandırılır.N-kanal transistör kaynağa bağlıysa, güç kaynağının negatif çıkışı, çünkü İçinde, ana yük taşıyıcıları elektronlardır (negatif yük taşıyıcıları).
Kaynak, ana yük taşıyıcıların kaynağıdır.
İşte böyle bir durumu modellemenin sonuçları. Solda bir p-kanalı ve sağda bir n-kanal transistörü var.
İkinci durum - deklanşöre voltaj uygulayın
Kapıya p kanalı için kaynağa (Us) göre pozitif bir voltaj ve n kanalı için negatif uygulandığında, ters yönde kayar, p-n bağlantı bölgesi kanala doğru genişler. Bunun sonucunda kanal genişliği azalır, akım azalır. Anahtardan geçen akımın akmayı durdurduğu kapı gerilimine kesme gerilimi denir.
Anahtar kapanmaya başlar.
Kesme gerilimine ulaşıldı ve anahtar tamamen kapalı. Simülasyon sonuçlarının bulunduğu resim p-kanalı (sol) ve n-kanalı (sağ) tuşları için böyle bir durumu gösterir. Bu arada, İngilizce'de böyle bir transistöre JFET denir.
Çalışma modları
Transistörün Uзи voltajlı çalışma modu sıfır veya tersidir. Ters voltaj nedeniyle, A sınıfı amplifikatörlerde ve düzgün regülasyonun gerekli olduğu diğer devrelerde kullanılan "transistörü kapatabilirsiniz".
Kesme modu, her bir transistör için Uzi = U kesme farklı olduğunda ortaya çıkar, ancak her durumda ters yönde uygulanır.
Özellikler, CVC
Bir çıkış karakteristiği, drenaj akımının çeşitli kapı voltajlarında Uci'ye (drenaj ve kaynağın terminallerine uygulanan) bağımlılığını gösteren bir grafiktir.
Üç alana ayrılabilir. Başlangıçta (grafiğin sol tarafında) omik bölgeyi görüyoruz - bu aralıkta transistör bir direnç gibi davranıyor, akım neredeyse doğrusal olarak artıyor, belirli bir seviyeye ulaşıyor, doygunluk bölgesine gidiyor (grafiğin merkezinde).
Grafiğin sağ kısmında, akımın tekrar büyümeye başladığını görüyoruz, bu arıza bölgesi, burada transistör bulunmamalıdır. Şekilde gösterilen en üstteki dal sıfırdaki akımdır, burada akımın en büyük olduğunu görüyoruz.
Uzi voltajı ne kadar yüksek olursa, tahliye akımı o kadar düşük olur. Dalların her biri kapıda 0.5 volt farklıdır. Modelleme ile onayladıklarımız.
Tahliye kapısı karakteristiği, yani. drenaj akımının aynı drenaj kaynağı voltajındaki (bu örnekte 10V) geçit voltajına bağımlılığı, burada ızgara aralığı da 0.5V'dir, yine Uzi voltajı 0'a ne kadar yakınsa, drenaj akımı o kadar büyük olur.
Bipolar transistörlerde akım transfer katsayısı veya kazancı gibi bir parametre vardı, B veya H21e veya Hfe olarak belirtildi. Alanda, dikliği voltajı arttırma kabiliyetini göstermek için kullanılır S harfi ile gösterilir.
S = dIc / dU
Yani, diklik, drenaj akımının ne kadar miliamper (veya amper) değiştiğini, drenaj kaynağı gerilimi değişmemiş olan volt sayısında geçit kaynağı voltajında bir artış ile büyüdüğünü gösterir. Geçit kapısı özelliği temelinde hesaplanabilir; yukarıdaki örnekte, eğim yaklaşık 8 mA / V'dir.
Anahtarlama şemaları
Bipolar transistörler gibi, üç tipik bağlantı şeması vardır:
1. Ortak bir kaynakla (a). En sık kullanılır, akım ve güç kazanır.
2. Ortak bir deklanşörle (b). Nadiren kullanılır, düşük giriş empedansı, kazanç yok.
3. Toplam tahliye (c) ile. Gerilim kazancı 1'e yakın, giriş empedansı büyük ve çıkış empedansı düşük. Başka bir isim kaynak takipçisi.
Özellikler, avantajlar, dezavantajlar
-
Alan etkili transistörün ana avantajı yüksek giriş empedansı. Giriş direnci, akımın kapı kaynağı voltajına oranıdır. Çalışma prensibi, bir elektrik alanı kullanan kontrolde yatmaktadır ve voltaj uygulandığında oluşur. İşte alan etkili transistörler.
-
Alan etkili transistör pratik olarak kontrol akımını tüketmez, bu kontrol kaybını, sinyal bozulmasını azaltır, sinyal kaynağının aşırı akımı ...
-
Ortalama sıklık Alan etkili transistörler bipolardan daha iyi performans gösterirbunun nedeni, bipolar transistörün bölgelerindeki yük taşıyıcıların "emilmesi" için daha az zaman gerekmesidir. Bazı modern bipolar transistörler alan olanlarını bile aşabilir, bunun nedeni daha gelişmiş teknolojilerin kullanılması, tabanın genişliğini azaltması ve daha fazlasıdır.
-
Alan etkili transistörlerin düşük gürültü seviyesi, bipolar olanlarda olduğu gibi bir şarj enjeksiyon işleminin olmamasından kaynaklanmaktadır.
-
Sıcaklık ile kararlılık.
-
İletken durumda düşük güç tüketimi - cihazlarınızın daha fazla verimliliği.
Yüksek giriş empedansı kullanmanın en basit örneği, elektro-akustik gitarları piezo manyetikler ve elektro gitar manyetikli elektro gitarları düşük giriş empedanslı hat girişlerine bağlamak için kullanılan cihazlardır.
Düşük giriş empedansı, sinyalin frekansına bağlı olarak şeklini değiştirerek giriş sinyalinde bir düşüşe neden olabilir. Bu, yüksek giriş empedanslı bir kaskat tanıtarak bundan kaçınmanız gerektiği anlamına gelir. İşte böyle bir cihazın en basit şeması. Elektro gitarları bilgisayarın ses kartının hat girişine bağlamak için uygundur. Bununla birlikte, ses daha parlak hale gelir ve tını daha zengindir.
Ana dezavantaj, bu tür transistörlerin statikten korkmasıdır. Elektrikli elinizle bir eleman alabilir ve hemen başarısız olur, bu anahtarın alanın yardımıyla yönetilmesinin bir sonucudur. Onlarla özel bir bilezikten toprağa bağlı, yalıtımlı bir uca sahip düşük voltajlı bir havya ile dielektrik eldivenlerde çalışması tavsiye edilir ve transistör kabloları kurulum sırasında kısa devre yapmak için tel ile bağlanabilir.
Modern cihazlar pratikte bundan korkmuyor, çünkü girişlerinde voltaj aşıldığında çalışan zener diyotlar gibi koruyucu cihazlar inşa edilebilir.
Bazen, yeni başlayan radyo amatörleri için korkular, kafaya folyo kapakları koymak gibi saçmalık noktasına ulaşır. Zorunlu olmakla birlikte, ancak herhangi bir koşula uymamak, yukarıda açıklanan her şey, cihazın arızalanmasını garanti etmez.
Yalıtımlı Kapı Alan Etkili Transistörler
Bu tip transistör, yarı iletken kontrollü bir anahtar olarak aktif olarak kullanılır. Dahası, en sık tuş modunda çalışırlar (iki pozisyon “açık” ve “kapalı”). Birkaç isimleri var:
1. MOS transistörü (metal-dielektrik-yarı iletken).
2. MOS transistörü (metal oksit yarı iletken).
3. MOSFET transistörü (metal-oksit-yarı iletken).
Unutmayın - bunlar sadece aynı ismin varyasyonlarıdır. Dielektrik veya oksit olarak da adlandırıldığı gibi, kapı için bir yalıtkan rolü oynar. Aşağıdaki şemada, deklanşöre yakın n-bölge ile deklanşör arasında noktalar olan beyaz bir bölge şeklinde bir yalıtkan gösterilmiştir. Silikon dioksitten yapılmıştır.
Dielektrik, kapı elektrodu ile alt tabaka arasındaki elektrik temasını ortadan kaldırır. Kontrol pn bağlantı noktasının aksine, bağlantıyı genişletme ve kanalın üst üste binmesi prensibi üzerinde değil, harici bir elektrik alanının etkisi altında yarı iletkendeki şarj taşıyıcılarının konsantrasyonunu değiştirme prensibi üzerinde çalışır. MOSFET'ler iki tiptir:
1. entegre kanal ile.
2. indüklenen kanal ile
Kanal Entegre Transistörler
Şemada, entegre bir kanala sahip bir transistör görüyorsunuz. Bir kişi, çalışma prensibinin bir kontrol p-n kavşağı olan bir alan etkili transistöre benzediğini tahmin edebilir, yani. geçit voltajı sıfır olduğunda akım anahtardan akar.
Kaynağın ve lavabonun yakınında, yüksek safsızlık yükü taşıyıcılarına (n +) sahip, iletkenliği arttırılmış iki bölge oluşturulur. Bir substrat P tipi bir bazdır (bu durumda).
Kristalin (substrat) kaynağa bağlı olduğunu, birçok geleneksel grafik sembolüne çekildiğini lütfen unutmayın.Kapı voltajı arttığında, kanalda enine bir elektrik alanı ortaya çıkar, şarj taşıyıcılarını (elektronlar) iter ve Uз eşik değerine ulaşıldığında kanal kapanır.
Çalışma modları
Negatif bir geçit kaynağı voltajı uygulandığında, drenaj akımı düşer, transistör kapanmaya başlar - buna yalın mod denir.
Kapı kaynağına pozitif bir voltaj uygulandığında, ters işlem gerçekleşir - elektronlar çekilir, akım artar. Bu bir zenginleştirme modudur.
Yukarıdakilerin tümü, entegre N tipi bir kanala sahip MOS transistörler için geçerlidir. P-tipi kanal tüm “elektronlar” kelimelerini “delikler” ile değiştirirse, voltajın polaritesi tersine çevrilir.
modelleme
Sıfır geçit voltajı ile dahili n tipi kanallı transistör:
Deklanşöre -1V uyguluyoruz. Akım 20 kat azaldı.
Bu transistörün veri sayfasına göre, bir volt bölgesinde bir eşik geçit kaynağı voltajına sahibiz ve tipik değeri 1,2 V'dur, bunu kontrol edin.
Akım mikroamperlerde olmuştur. Voltajı biraz daha arttırırsanız, tamamen kaybolacaktır.
Rastgele bir transistör seçtim ve oldukça hassas bir cihazla karşılaştım. Voltajın polaritesini değiştirmeye çalışacağım, böylece kapı pozitif bir potansiyele sahip olacak, zenginleştirme modunu kontrol edeceğiz.
1 V'luk bir geçit voltajında, akım 0 V'dekine kıyasla dört kat artmıştır (bu bölümdeki ilk resim). Önceki transistör ve bipolar transistör tiplerinden farklı olarak, hem akımı arttırmak hem de ek kayış olmadan azalmak için çalışabilir. Bu ifade çok kaba, ama ilk yaklaşımda var olma hakkı var.
karakteristikleri
Burada, çıkış karakteristiğinde bir zenginleştirme modunun varlığı dışında, her şey kontrol geçişine sahip bir transistörle neredeyse aynıdır.
Tahliye kapısı özelliğinde, negatif bir voltajın anahtarın tükenmesine ve kapanmasına neden olduğu ve kapıdaki pozitif bir voltajın anahtarın zenginleşmesine ve daha fazla açılmasına neden olduğu açıkça görülmektedir.
Kanal Kaynaklı Transistörler
İndüklenen kanala sahip MOSFET'ler, kapı üzerinde voltaj olmadığında veya daha fazla akım olduğunda akım iletmez, ancak son derece küçüktür, çünkü bu, alt tabaka ile drenaj ve kaynağın yüksek alaşımlı alanları arasındaki dönüş akımıdır.
İzole edilmiş bir kapıya ve indüklenen kanala sahip alan etkili transistör, normalde açık bir anahtarın bir analogudur, akım akmaz.
Bir geçit kaynağı voltajının varlığında, indüklenen kanalın n tipini düşünüyoruz, voltaj pozitif, negatif taşıyıcılar alanın etkisiyle kapı bölgesine çekiliyor.
Böylece elektronlar için kaynaktan drenaja bir “koridor” vardır, bu nedenle bir kanal görünür, transistör açılır ve akım içinden akmaya başlar. P-tipi bir alt tabakamız var, içindeki ana pozitif yük taşıyıcıları (delikler), çok az negatif taşıyıcı var, ancak alanın etkisi altında atomlarından ayrıldıkları ve hareketleri başlıyor. Bu nedenle voltaj yokluğunda iletkenlik eksikliği.
karakteristikleri
Çıkış karakteristiği öncekilerden aynı farkı tekrarlar, sadece Uz voltajları pozitif olur.
Yakın kapı karakteristiği aynı şeyi, kapı voltajlarındaki farklılıkları tekrar gösterir.
Akım-voltaj karakteristiklerini dikkate alırken, eksenler boyunca yazılan değerlere dikkatle bakmak son derece önemlidir.
modelleme
Anahtara 12 V'luk bir voltaj uygulandı ve 0'ımız vardı. Kapıda akım transistörden akmıyor.
Kapıya 1 volt ekleyin, ancak akım akmayı düşünmedi ...
Bir volt ekleyerek, akımın 4v'den büyümeye başladığını buldum.
1 Volt daha ekleyerek, akım keskin bir şekilde 1.129 A'ya yükseldi.
Veri Sayfası, bu transistörü 2 ila 4 voltluk bir bölümde açmak için eşik voltajını ve bir kapıdan kapıya -20 ila +20 V arasında maksimum değeri gösterir, daha fazla voltaj artışı 20 voltta sonuç vermedi (birkaç miliamper I Bu durumda düşünüyorum).
Bu, transistörün tamamen açık olacağı anlamına gelir, eğer olmasaydı, bu devredeki akım 12/10 = 1.2 A olur. Daha sonra bu transistörün nasıl çalıştığını inceledim ve 4 voltta açılmaya başladığını öğrendim.
Her birine 0,1V ekleyerek, bir voltun onda biri ile akımın giderek daha fazla büyüdüğünü ve transistörün 4,6 volt ile neredeyse tamamen açık olduğunu, drenaj akımındaki 20V kapı voltajı ile farkın 1,1 A'da fark ettiğini fark ettim. saçma.
Bu deney, indüklenmiş bir kanala sahip transistörün sadece eşik voltajına ulaşıldığında açıldığını ve bu da darbe devrelerinde bir anahtar olarak mükemmel çalışmasını sağlar. Aslında, IRF740 en yaygın olanlardan biridir anahtarlama güç kaynakları.
Geçit akımının ölçüm sonuçları, alan etkili transistörlerin neredeyse kontrol akımını tüketmediğini göstermiştir. 4.6 voltluk bir voltajda, akım sadece 888 nA (nano !!!) idi.
20V'luk bir voltajda, 3.55 μA (mikro) idi. Bir bipolar transistör için, bir alandan on binlerce kat daha fazla olan kazanca bağlı olarak 10 mA mertebesinde olacaktır.
Tüm anahtarlar bu voltajlarla açılmaz, bunun nedeni, kullanılan cihazların devresinin tasarımı ve özelliklerinden kaynaklanmaktadır.
Yalıtılmış deklanşörlü anahtar kullanma özellikleri
İki iletken ve aralarında bir dielektrik - nedir bu? Bu bir transistördür, kapının kendisi parazitik bir kapasitansa sahiptir, transistörü değiştirme işlemini yavaşlatır. Buna Miller Platosu denir, genel olarak, bu soru, diğer yazılımları kullanarak (çok özellikli olarak bu özelliği kontrol etmedi) doğru modelleme ile ayrı bir ciddi malzemeye layıktır.
İlk anda boşalmış bir kapasite büyük bir şarj akımı gerektirir ve nadir kontrol cihazları (PWM kontrolörleri ve mikrodenetleyiciler) güçlü çıkışlara sahiptir, bu nedenle hem alan etkili transistörlerde hem de alan kepenkleri için sürücüler kullanırlar. IGBT (izole bir deklanşör ile bipolar). Bu, giriş sinyalini, transistörü açıp kapatmak için yeterli olan büyüklük ve akım gücüne sahip bir çıkışa dönüştüren böyle bir amplifikatördür. Şarj akımı, kapı ile seri olarak bağlanan bir dirençle de sınırlandırılır.
Aynı zamanda, bazı kapılar mikrodenetleyici portundan bir direnç (aynı IRF740) aracılığıyla kontrol edilebilir. Bu konuya değindik. arduino malzeme döngüsünde.
Koşullu Grafikler
Alan etkili transistörlere bir kontrol geçidi ile benzerler, ancak transistörün kendisinde olduğu gibi UGO'dakinden farklıdır, kapı alt tabakadan ayrılır ve merkezdeki ok kanal türünü gösterir, ancak bir n-kanal mosfet ise alt tabakadan kanala yönlendirilir - deklanşöre doğru ve tam tersi.
Kanallı tuşlar için:
Şöyle görünebilir:
Sonuçların İngilizce adlarına dikkat edin, genellikle veri sayfasının ve şemalarında belirtilir.
Dahili kanalı olan tuşlar için:
Ayrıca bkz. electro-tr.tomathouse.com
: