קטגוריות: מאמרים מוצגים » אלקטרוניקה מעשית
מספר צפיות: 174,150
הערות לכתבה: 6
טרנזיסטורי אפקט שדה: עיקרון הפעולה, מעגלים, מצבי הפעלה ומודלים
כבר סקרנו מכשיר של טרנזיסטורים דו קוטביים ועבודתםעכשיו בואו נגלה מה הם טרנזיסטורים אפקט שדה. טרנזיסטורי אפקט שדה נפוצים מאוד במעגלים ישנים וגם במודרניים. בימינו משתמשים במכשירים עם שער מבודד במידה רבה יותר, נדבר על סוגי הטרנזיסטורים להשפעת השדה והתכונות שלהם כיום. במאמר אעשה השוואה עם טרנזיסטורים דו קוטביים במקומות נפרדים.
הגדרה
טרנזיסטור אפקט שדה הוא מפתח מוליכים למחצה השולט במלואו בשליטת שדה חשמלי. זה ההבדל העיקרי מבחינת התרגול מהטרנזיסטורים הדו-קוטביים, הנשלטים על ידי זרם. שדה חשמלי נוצר על ידי מתח המופעל על השער ביחס למקור. הקוטביות של מתח השליטה תלויה בסוג תעלת הטרנזיסטור. יש אנלוגיה טובה עם צינורות ואקום אלקטרוניים.
שם נוסף לטרנזיסטורים של אפקט שדה הוא חד קוטבי. "UNO" פירושו אחד. בטרנזיסטורים לאפקט שדה, תלוי בסוג התעלה, הזרם מתבצע על ידי סוג אחד בלבד של מנשא על ידי חורים או אלקטרונים. בטרנזיסטורים דו קוטביים, הזרם נוצר משני סוגים של נושאי מטען - אלקטרונים וחורים, ללא קשר לסוג המכשירים. ניתן לחלק טרנזיסטורים של אפקט שדה במקרה הכללי ל:
-
טרנזיסטורים עם צומת pn שליטה;
-
טרנזיסטורי שער מבודדים.
שניהם יכולים להיות ערוצי n ו- p-channel, יש להפעיל מתח שליטה חיובי על שער הראשונים לפתיחת המפתח, ועבור האחרון שלילי ביחס למקור.
לכל סוגי הטרנזיסטורים בהשפעת שדה יש שלושה תפוקות (לפעמים 4, אך לעיתים רחוקות נפגשתי רק בסובייטים וזה היה קשור למקרה).
1. מקור (מקור מוביל, אנלוגי פולט דו קוטבי).
2. סטוק (מקור נושאי מטען מהמקור, אנלוגי של אספן הטרנזיסטור הדו קוטבי).
3. תריס (אלקטרודת בקרה, אנלוגי לרשת על מנורות ובסיסים בטרנזיסטורים דו קוטביים).
טרנזיסטור PN
הטרנזיסטור מורכב מהאזורים הבאים:
1. ערוץ;
2. מלאי;
3. המקור;
4. תריס.
בתמונה אתה רואה מבנה סכמטי של טרנזיסטור כזה, הממצאים קשורים לקטעים המתכתיים של השער, המקור והנקז. במעגל ספציפי (זהו מכשיר p-channel), השער הוא שכבה n, יש לו פחות התנגדות מאזור הערוץ (שכבת p), ואזור צומת p-n ממוקם יותר באזור p מסיבה זו.
ייעוד גרפי מותנה:
א - טרנזיסטור אפקט שדה מסוג n, b - טרנזיסטור אפקט שדה מסוג p
כדי להקל על הזיכרון, זכור את ייעוד הדיודה, שם החץ מצביע מאזור ה- p לאזור n. גם כאן.
המצב הראשון הוא להחיל מתח חיצוני.
אם מתח מוחל על טרנזיסטור כזה, הוא פלוס לניקוז, ומינוס למקור, זרם גדול יזרום דרכו, הוא יוגבל רק על ידי התנגדות התעלה, התנגדות חיצונית והתנגדות פנימית של מקור הכוח. אתה יכול לצייר אנלוגיה עם מקש סגור בדרך כלל. זרם זה נקרא Istart או זרם הניקוז הראשוני ב- Us = 0.
טרנזיסטור אפקט שדה עם בקרת צומת pn, ללא מתח השליטה המופעל לשער, הוא פתוח ככל האפשר.
המתח לניקוז ומקור מופעל בצורה זו:
מובילי המטען העיקריים מוצגים דרך המקור!
המשמעות היא שאם הטרנזיסטור הוא ערוץ p, אז הפלט החיובי של מקור הכוח מחובר למקור, מכיוון המנשאים העיקריים הם חורים (נשאי מטען חיובי) - זהו מה שמכונה מוליכות החור.אם הטרנזיסטור הערוץ n מחובר למקור, הפלט השלילי של מקור הכוח, מכיוון בתוכו, נושאי המטען העיקריים הם אלקטרונים (נשאי מטען שלילי).
המקור הוא מקור נושאי המטען העיקריים.
הנה התוצאות של דוגמנות למצב כזה. משמאל ערוץ p, ומימין טרנזיסטור n-channel.
המצב השני - החל מתח על התריס
כאשר מופעל מתח חיובי על השער ביחס למקור (Us) עבור ערוץ ה- p ושלילי לתעלה n, הוא נע לכיוון ההפוך, אזור צומת p-n מתרחב לכיוון התעלה. כתוצאה מכך רוחב הערוץ פוחת, הזרם פוחת. מתח השער בו הזרם דרך המפתח מפסיק לזרום נקרא מתח הניתוק.
המפתח מתחיל להיסגר.
מתח המנותק מגיע והמפתח סגור לחלוטין. התמונה עם תוצאות הסימולציה מציגה מצב כזה עבור מקשי ערוץ ה- p (שמאל) ו- n-channel (מימין). אגב, באנגלית טרנזיסטור כזה נקרא JFET.
מצבי הפעלה
מצב הפעולה של הטרנזיסטור עם מתח UZи הוא אפס או הפוך. בגלל מתח הפוך, אתה יכול "לכסות את הטרנזיסטור", הוא משמש במגברים בכיתה A ובמעגלים אחרים שבהם יש צורך בוויסות חלק.
מצב הניתוק מתרחש כאשר Uzi = U ניתוק עבור כל טרנזיסטור הוא שונה, אך בכל מקרה הוא מיושם בכיוון ההפוך.
מאפיינים, CVC
מאפיין פלט הוא גרף המתאר את התלות של זרם הניקוז ב- Uci (המופעל על מסופי הניקוז והמקור) במתחי שער שונים.
ניתן לחלק לשלושה אזורים. בתחילת הדרך (בצד שמאל של הגרף) אנו רואים את האזור האוהמי - במרווח זה הטרנזיסטור מתנהג כנגדנגד, הזרם גדל כמעט באופן ליניארי, מגיע לרמה מסוימת, נכנס לאזור הרוויה (במרכז הגרף).
בחלק הימני של הגרף אנו רואים שהזרם מתחיל לצמוח שוב, זה אזור ההתמוטטות, כאן לא צריך להיות ממוקם הטרנזיסטור. הענף העליון שמוצג באיור הוא הזרם באפס O, אנו רואים שהזרם כאן הוא הגדול ביותר.
ככל שעוזי המתח גבוה יותר, כך זרם הניקוז נמוך יותר. כל אחד מהענפים שונה ב 0.5 וולט בשער. מה שאישרנו באמצעות דוגמנות.
מאפיין שער הניקוז, כלומר תלות בזרם הניקוז במתח השער באותו מתח מקור ניקוז (בדוגמה זו 10 וולט), כאן גם המגרש הרשת הוא 0.5 וולט. שוב אנו רואים שככל שהמתח עוזי קרוב יותר ל -0, כך גדל זרם הניקוז.
בטרנזיסטורים דו קוטביים היה פרמטר כמו מקדם ההעברה הנוכחי או הרווח, הוא נקרא B או H21e או Hfe. בשטח משמש התלילות להצגת יכולת הגברת המתח והיא מסומנת על ידי האות S
S = dIc / dU
כלומר, התלילות מראה כמה מילאמים (או אמפר) זרם הניקוז גדל עם עלייה במתח מקור השער במספר הנפחים במתח מקור ניקוז קבוע. ניתן לחשב אותו על בסיס מאפיין שער-השער; בדוגמה לעיל המדרון הוא בערך 8 mA / V.
ערכות מיתוג
כמו טרנזיסטורים דו קוטביים, יש שלוש דיאגרמות חיווט אופייניות:
1. עם מקור משותף (א). הוא משמש לרוב, נותן רווח בזרם ובעוצמה.
2. עם תריס משותף (ב). בשימוש נדיר, עכבת קלט נמוכה, ללא רווח.
3. עם ניקוז כולל (ג). רווח המתח קרוב ל 1, עכבת הכניסה גדולה וה עכבת הפלט נמוכה. שם אחר הוא חסיד מקור.
תכונות, יתרונות, חסרונות
-
היתרון העיקרי של טרנזיסטור אפקט השדה עכבת קלט גבוהה. התנגדות קלט היא היחס בין זרם למתח מקור-שער. עיקרון הפעולה טמון בבקרה באמצעות שדה חשמלי, והוא נוצר בעת הפעלת מתח. זהו טרנזיסטורים לאפקט שדה.
-
טרנזיסטור אפקט שדה כמעט ואינו צורך זרם שליטה, זה כן מפחית אובדן שליטה, עיוות אות, עומס יתר של מקור האות ...
-
תדירות ממוצעת טרנזיסטורים בהשפעת שדה מבצעים ביצועים טובים יותר מאשר דו-קוטבייםזה נובע מהעובדה שפחות זמן נדרש ל"ספיחה "של מובילי מטען באזורים של טרנזיסטור דו קוטבי. חלק מהטרנזיסטורים הדו-קוטביים המודרניים עשויים אפילו לעלות על אלה בשטח, זה נובע משימוש בטכנולוגיות מתקדמות יותר, צמצום רוחב הבסיס ועוד.
-
רמת הרעש הנמוכה של טרנזיסטורים בהשפעת שדה נובעת מהיעדר תהליך הזרקת מטען, כמו באלה דו קוטבית.
-
יציבות עם טמפרטורה.
-
צריכת חשמל נמוכה במצב המוליך - יעילות רבה יותר של המכשירים שלך.
הדוגמה הפשוטה ביותר לשימוש בהתנגדות קלט גבוהה היא התקנים תואמים לחיבור גיטרות אלקטרו-אקוסטיות עם טנדרים מפייזו וגיטרות חשמליות עם טנדרים אלקטרומגנטיים לתשומות קו עם עכבה קלט נמוכה.
עכבת קלט נמוכה עלולה לגרום לירידה בסמל הקלט, ולעוות את צורתו בדרגות שונות בהתאם לתדירות האות. פירוש הדבר שעליך להימנע מכך על ידי הצגת מפל עם עכבת קלט גבוהה. להלן התרשים הפשוט ביותר של מכשיר כזה. מתאים לחיבור גיטרות חשמליות לכניסת הקו של כרטיס השמע של המחשב. בעזרתו הצליל יהפוך בהיר יותר, והגזרה תהיה עשירה יותר.
החיסרון העיקרי הוא שטרנזיסטורים כאלה פוחדים מסטטי. אתה יכול לקחת אלמנט בידיים המחושמלות וזה מיד ייכשל, זו תוצאה של ניהול המפתח באמצעות השדה. מומלץ לעבוד איתם בכפפות דיאלקטריות, המחוברים דרך צמיד מיוחד לקרקע, עם ברזל הלחמה בעל מתח נמוך עם קצה מבודד, וניתן לקשור את מובילי הטרנזיסטור בחוט כדי לקצר אותם בזמן ההתקנה.
מכשירים מודרניים כמעט ואינם חוששים מכך, מכיוון שבכניסה אליהם ניתן לבנות מכשירי מיגון כמו דיודות זנר, הפועלות כאשר חורג מהמתח.
לפעמים, לחובבי הרדיו המתחילים, הפחדים מגיעים לנקודה של אבסורד, כמו לשים כובעי נייר כסף על הראש. כל מה שתואר לעיל, למרות שהוא חובה, אך אי מילוי תנאים אינו מבטיח את כישלון ההתקן.
טרנזיסטורים של אפקט שדה מבודד
סוג זה של טרנזיסטור משמש באופן פעיל כמפתח מבוקר מוליכים למחצה. יתר על כן, הם פועלים לרוב במצב המפתח (שתי עמדות "פועל" ו- "כבוי"). יש להם כמה שמות:
1. טרנזיסטור MOS (מוליך למחצה-דיאלקטרי-מתכת).
2. טרנזיסטור MOS (מוליך למחצה תחמוצת מתכת).
3. טרנזיסטור MOSFET (מוליך למחצה מתכת-תחמוצת).
זכרו - אלה רק וריאציות של אותו שם. הדיאלקטרי, או כפי שהוא מכונה גם תחמוצת, ממלא את התפקיד של מבודד לשער. בתרשים למטה מוצג מבודד בין האזור n ליד התריס לתריס בצורת אזור לבן עם נקודות. זה עשוי מסיליקון דו חמצני.
הדיאלקטרי מבטל מגע חשמלי בין אלקטרודת השער למצע. בניגוד לצומת ה- pn שליטה, זה לא עובד על העיקרון של הרחבת המעבר וחפיפת הערוצים, אלא על העיקרון של שינוי ריכוז נשאות המטען במוליך המוליכים למחצה תחת השפעת שדה חשמלי חיצוני. MOSFETs הם משני סוגים:
1. עם ערוץ משולב.
2. עם ערוץ מושרה
טרנזיסטורים משולבים בערוץ
בתרשים רואים טרנזיסטור עם תעלה משולבת. ניתן כבר לנחש ממנה כי עקרון פעולתו דומה לטרנזיסטור אפקט שדה עם צומת p-n שולט, כלומר כאשר מתח השער הוא אפס, הזרם זורם דרך המתג.
בסמוך למקור וניקוז נוצרים שני אזורים עם תוכן גבוה של נשאי מטען טומאה (n +) עם מוליכות מוגברת. מצע הוא בסיס מסוג P (במקרה זה).
שימו לב כי הגביש (המצע) מחובר למקור, הוא מצויר על סמלים גרפיים קונבנציונליים רבים.כשמתח השער גדל, נוצר שדה חשמלי רוחבי בתעלה, הוא דוחה נשאי מטען (אלקטרונים), והתעלה נסגרת כשמגיעים לערך הסף Uz.
מצבי הפעלה
כאשר מופעל מתח מקור שלילי לשער, זרם הניקוז יורד, הטרנזיסטור מתחיל להיסגר - זה נקרא מצב רזה.
כאשר מופעל מתח חיובי על מקור השער, התהליך ההפוך מתרחש - האלקטרונים נמשכים, הזרם גדל. זהו מצב העשרה.
כל האמור לעיל נכון לגבי טרנזיסטורי MOS עם ערוץ משולב מסוג N. אם הערוץ מסוג p מחליף את כל המילים "אלקטרונים" ב"חורים ", קוטביות המתח מתהפכת.
דוגמנות
טרנזיסטור עם תעלה מובנית מסוג n עם מתח שער אפס:
אנו מורחים -1 וולט לתריס. הזרם פחת פי 20.
על פי גיליון הנתונים עבור טרנזיסטור זה, יש לנו מתח מקור סף של שער שער באזור וולט אחד, והערך האופייני שלו הוא 1.2 וולט, בדוק זאת.
הזרם הפך למיקרו-פינוק. אם תגדיל את המתח מעט יותר, הוא ייעלם לחלוטין.
בחרתי בטרנזיסטור באקראי ונתקלתי במכשיר רגיש למדי. אנסה לשנות את קוטביות המתח כך שלשער יש פוטנציאל חיובי, נבדוק את מצב העשרה.
במתח שער של 1 וולט, הזרם עלה ארבע פעמים, לעומת מה שהיה ב 0 וולט (תמונה ראשונה בקטע זה). מכאן יוצא שבניגוד לסוג הקודם של טרנזיסטורים וטרנזיסטורים דו קוטביים, הוא יכול לעבוד הן כדי להגדיל את הזרם והן להקטין ללא רצועות נוספות. אמירה זו גסה מאוד, אך בקירוב ראשון יש זכות קיום.
מאפיינים
כאן הכל כמעט זהה לטרנזיסטור עם מעבר שליטה, למעט נוכחות של מצב העשרה במאפיין הפלט.
במאפיין של שער הניקוז ניתן לראות בבירור כי מתח שלילי גורם למצב של התמצקות וסגירת המפתח, ומתח חיובי בתריס גורם להעשרה ולפתיחה גדולה יותר של המפתח.
טרנזיסטורים מושרשים בערוץ
MOSFETs עם תעלה המושרה אינם מוליכים זרם כאשר אין מתח בשער, או ליתר דיוק, יש זרם, אך הוא קטן ביותר, מכיוון זהו זרם ההחזר בין המצע לאזורים הסגסוגת הגבוהה של הניקוז והמקור.
טרנזיסטור אפקט שדה עם שער מבודד וערוץ מושרש הוא אנלוגי של מתג פתוח בדרך כלל, הזרם אינו זורם.
בנוכחות מתח מקור-שער, כמו אנו מחשיבים את סוג ה- n של התעלה המושרה, המתח חיובי, נשאים שליליים נמשכים לאזור השער על ידי פעולת השדה.
ישנו "מסדרון" לאלקטרונים ממקור לנקז, כך שמופיע תעלה, הטרנזיסטור נפתח והזרם מתחיל לזרום דרכו. יש לנו מצע מסוג p, שהעיקרי בו הם נשאי מטען חיוביים (חורים), ישנם מעט מאוד נשאים שליליים, אך בהשפעת השדה הם מתנתקים מהאטומים שלהם ותנועתם מתחילה. מכאן חוסר המוליכות בהיעדר מתח.
מאפיינים
מאפיין הפלט חוזר בדיוק על אותו ההבדל מהקודמים, רק שהמתחים Uz הופכים לחיוביים.
מאפיין השער הסגור מראה את אותו הדבר, ההבדלים שוב במתחי השער.
כאשר בוחנים את מאפייני מתח הזרם, חשוב ביותר לבחון היטב את הערכים הכתובים לאורך הצירים.
דוגמנות
על המפתח הוחל מתח של 12 וולט והיה לנו 0. בשער הזרם לא זורם בטרנזיסטור.
הוסף וולט 1 לשער, אך הזרם לא חשב לזרום ...
הוספת וולט אחד גיליתי שהזרם מתחיל לגדול מ -4 וולט.
הוספת וולט 1 נוסף, הזרם עלה בחדות ל 1.129 א '.
גיליון הנתונים מציין את מתח הסף לפתיחת טרנזיסטור זה בקטע מ -2 עד 4 וולט, והמקסימום בשער לשער בין -20 ל +20 וולט, תוספות מתח נוספות לא הניבו תוצאות ב -20 וולט (לא עשיתי כמה מילי-אמפר) אני חושב שבמקרה הזה).
המשמעות היא שהטרנזיסטור היה פתוח לחלוטין, אם הוא לא היה, הזרם במעגל זה היה 12/10 = 1.2 A. בהמשך למדתי איך הטרנזיסטור הזה עובד, וגיליתי שב -4 וולט הוא מתחיל להיפתח.
הוספה של 0.1 וולט כל אחד, שמתי לב שעם כל עשירית וולט הזרם גדל יותר ויותר, ועל ידי 4.6 וולט הטרנזיסטור פתוח כמעט לחלוטין, ההבדל עם מתח השער של 20 וולט בזרם הניקוז הוא רק 41 mA, ב 1.1 A הוא שטויות.
ניסוי זה משקף את העובדה שהטרנזיסטור עם תעלה המושרה נפתח רק כשמגיעים למתח הסף, המאפשר לו לעבוד בצורה מושלמת כמפתח במעגלי הדופק. למעשה, IRF740 הוא אחד הנפוצים ביותר במיתוג ספקי כוח.
תוצאות המדידות של זרם השער הראו כי טרנזיסטורי אפקט שדה כמעט ואינם צורכים זרם שליטה. במתח של 4.6 וולט, הזרם היה 888 נ"א בלבד (ננו !!!).
במתח של 20 וולט היה 3.55 מיקרו-אמפר (מיקרו). עבור טרנזיסטור דו קוטבי זה יהיה בסדר גודל של 10 mA, תלוי ברווח, שהוא עשרות אלפי פעמים יותר מזה שדה אחד.
לא כל המפתחות נפתחים על ידי מתחים כאלה, זה נובע מהתכנון והתכונות של מעגלי המכשירים שבהם הם משמשים.
תכונות של שימוש במפתחות עם תריס מבודד
שני מוליכים, וביניהם דיאלקטרי - מה זה? זהו טרנזיסטור, לשער עצמו יש קיבול טפילי, הוא מאט את תהליך מעבר הטרנזיסטור. זה נקרא מישור מילר, באופן כללי, שאלה זו ראויה לחומר רציני נפרד עם דוגמנות מדויקות, תוך שימוש בתוכנות אחרות (לא בדקו תכונה זו במולטי-ים).
יכולת פריקה ברגע הראשון של הזמן מצריכה זרם טעינה גדול, ולמכשירי בקרה נדירים (בקרי PWM ובקרי מיקרו) יש יציאות חזקות, כך שהם משתמשים בנהגים לתריסי שדה, הן בטרנזיסטורי אפקט שדה והן ב IGBT (דו קוטבית עם תריס מבודד). זהו מגבר כזה שממיר את אות הכניסה לפלט בעוצמה וכוח זרם כזה, המספיק בכדי להפעיל ולכבות את הטרנזיסטור. זרם המטען מוגבל גם על ידי נגן המחובר בסדרה עם השער.
במקביל, ניתן לשלוט על כמה שערים גם מיציאת המיקרו-בקרה דרך נגדי (אותו IRF740). נגענו בנושא זה. במחזור החומר הארדואינו.
גרפיקה מותנית
הם דומים לטרנזיסטורים של אפקט שדה עם שער בקרה, אך נבדלים זה מזה ב- UGO, כמו בטרנזיסטור עצמו, השער מופרד מהמצע, והחץ במרכז מציין את סוג התעלה, אך מופנה מהמצע לתעלה, אם מדובר במוספט n-channel - לכיוון התריס ולהפך.
למפתחות עם ערוץ המושרה:
זה אולי נראה כך:
שימו לב לשמות האנגלית של המסקנות, הם מופיעים לעיתים קרובות בגליון הנתונים ובתרשימים.
למפתחות עם ערוץ מובנה:
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: