Categories: Articles destacats » Electrònica pràctica
Nombre de visualitzacions: 174.150
Comentaris sobre l'article: 6
Transistors d’efectes de camp: principi de funcionament, circuits, modes de funcionament i modelatge
Ja hem revisat dispositiu de transistors bipolars i el seu treballDescobrim ara quins són els transistors d’efecte de camp. Els transistors d’efecte de camp són molt comuns tant en circuits antics com moderns. Avui en dia, els dispositius amb una porta aïllada s’utilitzen en major mesura, parlarem actualment dels tipus de transistors amb efecte de camp i de les seves característiques. A l’article faré comparacions amb transistors bipolars en llocs separats.
Definició
Un transistor amb efectes de camp és una clau de control semiconductor controlada per un camp elèctric. Aquesta és la diferència principal des del punt de vista de la pràctica dels transistors bipolars, controlats per corrents. Un camp elèctric es crea mitjançant un voltatge aplicat a la porta respecte a la font. La polaritat de la tensió de control depèn del tipus de canal del transistor. Hi ha una bona analogia amb els tubs de buit electrònics.
Un altre nom dels transistors amb efectes de camp és unipolar. "UNO" significa un. En els transistors amb efectes de camp, segons el tipus de canal, el corrent només es porta a terme per uns forats o electrons mitjançant un sol tipus de suport. Als transistors bipolars, el corrent es formava a partir de dos tipus de portadors: electrons i forats, independentment del tipus de dispositius. Els transistors d'efecte de camp en el cas general es poden dividir en:
-
transistors amb unió de control pn;
-
transistors de porta aïllats.
Ambdós poden ser de canal n i de canal p, cal aplicar una tensió de control positiva a la porta de la primera per obrir la clau i, per a la segona, negativa respecte a la font.
Tots els tipus de transistors d’efecte de camp tenen tres sortides (de vegades 4, però rarament, només em coneixia en soviètic i estava connectat al cas).
1. Font (font del portador, analògic emissor bipolar).
2. Stoke (font de càrregues portadores de la font, un analògic del col·lector d’un transistor bipolar).
3. Obturador (elèctrode de control, analògic d’una quadrícula a les làmpades i bases sobre transistors bipolars).
PN Transistor Transistor
El transistor consta de les següents àrees:
1. Canal;
2. Stock;
3. La font;
4. Obturador.
A la imatge es pot veure una estructura esquemàtica d’un transistor, les conclusions estan connectades a les seccions metal·litzades de la porta, la font i el desguàs. En un circuit específic (es tracta d’un dispositiu de canal p), la porta és una capa n, té menys resistivitat que la regió del canal (capa p), i la regió de la unió p-n està més situada a la regió p per aquest motiu.
Designació gràfica condicional:
a - transistor d'efecte de camp tipus n, b - transistor d'efecte de camp tipus p
Per facilitar-ne la memòria, recordeu la designació del díode, on la fletxa apunta des de la regió p cap a la regió n. Aquí també.
El primer estat és aplicar tensió externa.
Si s’aplica tensió a aquest transistor, a més del desguàs i menys a la font, hi circula un gran corrent, només serà limitada per la resistència del canal, les resistències externes i la resistència interna de la font d’energia. Podeu dibuixar una analogia amb una tecla normalment tancada. Aquest corrent s’anomena Istart o el corrent de drenatge inicial a Us = 0.
Un transistor d'efecte de camp amb un control d'unió pn, sense el voltatge de control aplicat a la porta, és el més obert possible.
La tensió al desguàs i font s'aplica d'aquesta manera:
Els principals operadors de càrrega s’introdueixen a través de la font.
Això vol dir que si el transistor és un canal p, la sortida positiva de la font d’energia està connectada a la font, perquè els portadors principals són forats (portadors de càrrega positiva): aquesta és l’anomenada conductivitat dels forats.Si el transistor de canal n està connectat a la font, la sortida negativa de la font d'energia, perquè en ell els principals portadors de càrrega són els electrons (portadors de càrrega negativa).
La font és la font dels principals operadors de càrrega.
Aquests són els resultats de la modelització d’una situació d’aquest tipus. A l'esquerra hi ha un canal p, i a la dreta un transistor de canals n.
El segon estat: aplicar tensió a l'obturador
Quan s'aplica un voltatge positiu a la porta respecte a la font (Us) per al canal p i negatiu per al canal n, es desplaça en sentit contrari, la regió de la unió p-n s'expandeix cap al canal. Com a resultat de la qual cosa disminueix l’amplada del canal, el corrent disminueix. El voltatge de la porta a què la corrent a través de la clau deixa de fluir s'anomena tensió de tall.
La clau comença a tancar-se.
S'arriba al voltatge de tall i es tanca la clau completament. La imatge amb els resultats de la simulació mostra un estat per a les tecles p-channel (esquerra) i n-channel (dreta). Per cert, en anglès aquest transistor es diu JFET.
Modes de funcionament
El mode de funcionament del transistor amb tensió d'Ultris és zero o inversa. A causa de la tensió inversa, podeu "cobrir el transistor", s'utilitza en amplificadors de classe A i en altres circuits on calgui una regulació fluida.
El mode de tall es produeix quan el tall de Uzi = U per a cada transistor és diferent, però en qualsevol cas s'aplica en el sentit contrari.
Característiques, CVC
Una característica de sortida és un gràfic que representa la dependència del corrent de desguàs d’Uci (aplicat als terminals del desguàs i font) a diverses tensions de la porta.
Es pot dividir en tres àrees. Al principi (a la part esquerra del gràfic) veiem la regió ohmica - en aquest interval el transistor es comporta com un resistor, el corrent augmenta gairebé linealment, arribant a un cert nivell, s’endinsa a la regió de saturació (al centre del gràfic).
A la part dreta del gràfic veiem que el corrent comença a créixer de nou, aquesta és la regió de desglossament, aquí no s’hauria de localitzar el transistor. La branca superior mostrada a la figura és la corrent a zero nosaltres, veiem que la corrent aquí és la més gran.
Com més alta sigui la tensió Uzi, menor serà el corrent de drenatge. Cadascuna de les branques difereix en 0,5 volts a la porta. El que vam confirmar modelant.
La característica porta-desaig, és a dir. dependència del corrent de desguàs de la tensió de la porta a la mateixa tensió font de desguàs (en aquest exemple 10V), aquí el pas de la xarxa també és de 0,5 V, veiem de nou que com més propera la tensió Uzi sigui 0, més gran és el corrent de drenatge.
En els transistors bipolars, existia un paràmetre com el coeficient o el guany de transferència actual, es denotava com a B o H21e o Hfe. Al camp, la escarpada s'utilitza per mostrar la capacitat per augmentar la tensió, i s'indica amb la lletra S
S = dIc / dU
És a dir, la pendent mostra la quantitat de mil·límetres (o amperes) que creix el corrent de drenatge amb un augment de la tensió de la font de la porta segons el nombre de volts en una tensió de desaigua no canviada. Es pot calcular sobre la base de la característica porta-porta; en l'exemple anterior, la inclinació és d'aproximadament 8 mA / V.
Esquemes de commutació
Com els transistors bipolars, hi ha tres esquemes de cablejat típics:
1. Amb una font comuna (a). S'utilitza més sovint, dóna guany en corrent i potència.
2. Amb obturador comú (b). Rarament usat, baixa impedància d’entrada, sense guanys.
3. Amb un desguàs total (c). La pujada de voltatge s’aproxima a 1, la impedància d’entrada és gran i la impedància de sortida baixa. Un altre nom és un seguidor de la font.
Característiques, avantatges i desavantatges
-
El principal avantatge del transistor amb efectes de camp alta impedància d’entrada. La resistència d’entrada és la relació entre la tensió de corrent i font d’entrada. El principi de funcionament rau en el control utilitzant un camp elèctric, i es forma quan s’aplica tensió. És a dir transistors d'efecte de camp.
-
Transistor d'efecte de camp pràcticament no consumeix corrent de control, ho és redueix la pèrdua de control, la distorsió del senyal, sobrecàrrega actual de la font del senyal ...
-
Freqüència mitjana Els transistors amb efectes de camp funcionen millor que els bipolars, això es deu al fet que es necessita menys temps per a la "resorció" de portadors de càrrega a les zones d'un transistor bipolar. Alguns transistors bipolars moderns poden fins i tot superar els de camp, això es deu a l’ús de tecnologies més avançades, reduint l’amplada de la base i molt més.
-
El baix nivell de soroll dels transistors amb efectes de camp es deu a l'absència d'un procés d'injecció de càrrega, com en els bipolars.
-
Estabilitat amb la temperatura.
-
Consum baix d'energia en estat conductor, major eficiència dels dispositius.
L’exemple més senzill d’utilitzar una alta impedància d’entrada és l’aparell de dispositius per connectar guitarres electroacústiques amb pick-up piezo i guitarres elèctriques amb pickups electromagnètics a entrades de línia amb baixa impedància d’entrada.
Una baixa impedància d’entrada pot provocar una caiguda del senyal d’entrada, distorsionant la seva forma en diversos graus segons la freqüència del senyal. Això significa que cal evitar-ho introduint una cascada amb una alta impedància d’entrada. Aquí es mostra el diagrama més senzill d’un dispositiu d’aquest tipus. Apte per connectar guitarres elèctriques a l’entrada de línia de la targeta d’àudio de l’ordinador. Amb ell, el so es farà més brillant i el timbre serà més ric.
El principal desavantatge és que aquests transistors tenen por d’estàtica. Podeu agafar un element amb les mans electrificades i fallarà immediatament, això és conseqüència de gestionar la clau mitjançant el camp. Se’ls recomana treballar amb uns guants dielèctrics, connectats a través d’un braçalet especial a terra, amb una soldadura de baixa tensió amb punta aïllada i els cables del transistor es poden lligar amb filferro a curtcircuit durant la instal·lació.
Els dispositius moderns pràcticament no tenen por d’això, perquè a l’entrada d’ells es poden incorporar dispositius de protecció com diodes zener, que funcionen quan se supera la tensió.
De vegades, per a aficionats a la ràdio principiants, les pors arriben al punt de l’absurd, com posar-se gorres de làmina al cap. Tot el descrit anteriorment, tot i que és obligatori, però no observar cap condició no garanteix la fallada del dispositiu.
Transistors d'efecte de camp aïllats
Aquest tipus de transistor s’utilitza activament com a clau controlada per semiconductors. A més, funcionen més sovint en el mode de tecla (dues posicions “on” i “off”). Tenen diversos noms:
1. Transistor MOS (metall-dielèctric-semiconductor).
2. Transistor MOS (semiconductor d'òxid de metall).
3. Transistor MOSFET (metall-òxid-semiconductor).
Recordeu-ho són només variacions del mateix nom. El dielèctric, o com també s’anomena òxid, té el paper d’un aïllant per a la porta. Al diagrama següent, es mostra un aïllant entre la regió n propera a l'obturador i l'obturador en forma de zona blanca amb punts. Està fabricat amb diòxid de silici.
El dielèctric elimina el contacte elèctric entre l'elèctrode de la porta i el substrat. En contraposició amb la unió de control pn, no funciona en el principi d’expandir la unió i sobreposar-se al canal, sinó en el principi de canviar la concentració de portadors de càrrega al semiconductor sota la influència d’un camp elèctric extern. Els MOSFET són de dos tipus:
1. Amb canal integrat.
2. Amb canal induït
Transistors integrats per canal
Al diagrama es pot veure un transistor amb un canal integrat. Ja es pot endevinar que el principi del seu funcionament s’assembla a un transistor d’efectes de camp amb una unió p-n de control, és a dir. quan la tensió de la porta és zero, el corrent flueix a través de l’interruptor.
A prop de la font i l’aigüera, es creen dues regions amb un alt contingut de portadors de càrrega d’impuresa (n +) amb major conductivitat. Un substrat és una base del tipus P (en aquest cas).
Tingueu en compte que el cristall (substrat) està connectat a l'origen, està dibuixat en molts símbols gràfics convencionals.Quan el voltatge de la porta augmenta, es produeix un camp elèctric transversal al canal, repel·leix els portadors de càrrega (electrons) i el canal es tanca quan s’arriba al valor llindar de Uз.
Modes de funcionament
Quan s'aplica un voltatge negatiu de la font de la porta, el corrent de drenatge baixa, el transistor comença a tancar-se això s'anomena mode magre.
Quan s'aplica un voltatge positiu a la font-porta, es produeix el procés invers: els electrons són atrets i el corrent augmenta. Es tracta d’un mode d’enriquiment.
Tot el que precedeix és cert per a transistors MOS amb un canal integrat de tipus N. Si el canal de tipus p substitueix totes les paraules "electrons" per "forats", la polaritat del voltatge s'inverteix.
Modelatge
Transistor amb canal de tipus n integrat amb tensió de porta zero:
Apliquem -1V a l'obturador. El corrent ha disminuït en 20 vegades.
D’acord amb el full de dades d’aquest transistor, tenim un voltatge d’origen d’entrada de llindar a la regió d’un volt i el seu valor típic és de 1,2 V, comproveu-ho.
El corrent s’ha convertit en microamperis. Si augmenteu una mica més la tensió, desapareixerà completament.
Vaig triar un transistor a l’atzar i em vaig trobar amb un dispositiu força sensible. Intentaré canviar la polaritat de la tensió perquè la porta tingui un potencial positiu, comprovarem el mode d’enriquiment.
A una tensió d’entrada d’1 V, el corrent augmentà quatre vegades en comparació amb el que es trobava a 0 V (primera imatge d’aquesta secció). Es dedueix que, a diferència del tipus anterior de transistors i transistors bipolars, pot funcionar tant per augmentar el corrent com per disminuir sense embuts addicionals. Aquesta afirmació és molt groller, però en una primera aproximació té dret a existir.
Característiques
Aquí, tot és gairebé el mateix que en un transistor amb transició de control, tret de la presència d’un mode d’enriquiment en la característica de sortida.
A la característica de la porta de desguàs, es veu clarament que un voltatge negatiu provoca el mode d'esgotament i tancament de la clau, i un voltatge positiu a la porta provoca un enriquiment i una major obertura de la clau.
Transistors Induïts per Canal
Els MOSFETs amb un canal induït no condueixen corrent quan no hi ha tensió a la porta, o millor dit, hi ha corrent, però és extremadament petit, perquè es tracta del corrent de retorn entre el substrat i les zones altament aliats del desguàs i la font.
Transistor d'efecte de camp amb una comporta aïllada i un canal induït és un analògic d'un commutador obert normalment, el corrent no flueix.
En presència d'una tensió font de porta, com considerem el tipus n del canal induït, la tensió és positiva, els operadors negatius són atrets per la regió de la porta per l'acció del camp.
De manera que hi ha un "passadís" per als electrons des de la font fins al desguàs, de manera que apareix un canal, el transistor s'obre i el corrent comença a fluir-hi. Tenim un substrat tipus p, els principals que hi ha són portadors de càrrega positiva (forats), hi ha molt pocs portadors negatius, però sota la influència del camp es desprenen dels seus àtoms i comença el seu moviment. D’aquí la manca de conductivitat en absència de tensió.
Característiques
La característica de sortida repeteix exactament la mateixa diferència respecte a les anteriors, només que les tensions Uz esdevenen positives.
La característica de la porta propera mostra el mateix, de nou les diferències en les tensions de la porta.
Quan es consideren les característiques de la tensió actual, és molt important examinar detingudament els valors escrits al llarg dels eixos.
Modelatge
Es va aplicar una tensió de 12 V a la clau, i vam tenir 0. A la porta, el corrent no flueix pel transistor.
Afegiu 1 voltiu a la porta, però la corrent no pensava que fluís ...
Afegint un volt, vaig trobar que el corrent comença a créixer a partir de 4v.
Afegint un altre 1 Volt, el corrent augmentà bruscament fins a 1.129 A.
El full de dades indica el voltatge llindar per obrir aquest transistor en una secció de 2 a 4 volts, i el màxim en una porta a porta de -20 a +20 V, els increments de voltatge addicionals no van donar resultats a 20 volts (no tenia diversos mil·límetres Crec que en aquest cas).
Això vol dir que el transistor estaria completament obert, si no fos així, el corrent en aquest circuit seria 12/10 = 1,2 A. Més tard vaig estudiar com funciona aquest transistor i vaig descobrir que a 4 volts comença a obrir-se.
Afegint 0,1 V cadascuna, em vaig adonar que amb cada dècima de volt, el corrent creix cada cop més i, per 4,6 volts, el transistor està gairebé obert, la diferència amb la tensió de la porta de 20V en el corrent de desguàs és de només 41 mA, a 1,1 A tonteries.
Aquest experiment reflecteix el fet que el transistor amb un canal induït només s’obre quan s’arriba a la tensió llindar, cosa que li permet funcionar perfectament com a clau en circuits d’impuls. En realitat, l’IRF740 és un dels més comuns a les fonts d'alimentació de commutació.
Els resultats de les mesures del corrent de la porta van demostrar que els transistors amb efecte de camp gairebé no consumeixen corrent de control. A una tensió de 4,6 volts, el corrent només era de 888 nA (nano !!!).
A una tensió de 20V, era de 3,55 μA (micro). Per a un transistor bipolar, seria de l'ordre de 10 mA, depenent del guany, que és desenes de milers de vegades més que el de camp.
No totes les claus s’obren per tals voltatges, això es deu al disseny i a les característiques del circuit dels dispositius on s’utilitzen.
Característiques d’utilitzar claus amb un obturador aïllat
Dos conductors i entre ells un dielèctric: què és? Es tracta d’un transistor, la porta mateixa té una capacitança parasitària, alenteix el procés de commutació del transistor. D’aquesta manera s’anomena Plato de Miller, en general, aquest número és digne d’un material seriós separat amb un modelatge precís, utilitzant altres programes (no he comprovat aquesta funció en multimatge).
Una capacitat descarregada al primer moment del temps requereix un gran corrent de càrrega i els rars dispositius de control (controladors PWM i microcontroladors) tenen unes sortides fortes, de manera que utilitzen controladors per persianes de camp, tant en transistors d'efecte de camp com en IGBT (bipolar amb obturador aïllat). Aquest és un amplificador que converteix el senyal d’entrada en una sortida de tal magnitud i força actual, suficient per encendre i apagar el transistor. El corrent de càrrega també està limitat per una resistència connectada en sèrie amb la porta.
Al mateix temps, també es poden controlar algunes comportes des del port del microcontrolador mitjançant una resistència (el mateix IRF740). Vam tocar aquest tema. en el cicle de material arduino.
Gràfics condicionals
S’assemblen a transistors d’efecte de camp amb una porta de control, però difereixen en la de l’UGO, com en el transistor en si, la porta es separa del substrat i la fletxa al centre indica el tipus de canal, però es dirigeix des del substrat al canal, si es tracta d’un mosfet de canals n - cap a la persiana i viceversa.
Per a tecles amb canal induït:
Pot semblar així:
Pareu atenció als noms anglesos de les conclusions, sovint s’indiquen a la fitxa i als esquemes.
Per a claus amb un canal integrat:
Consulteu també a electro-ca.tomathouse.com
: