Параметры MOSFET транзисторов

Основные параметры мощных транзисторов

Технологические возможности и успехи в разработке мощных полевых транзисторов привели к тому, что в настоящее время не составляет особого труда приобрести их за приемлемую цену.

В связи с этим возрос интерес радиолюбителей к применению таких MOSFET транзисторов в своих электронных самоделках и проектах.

Стоит отметить тот факт, что MOSFET’ы существенно отличаются от своих биполярных собратьев, как по параметрам, так и своему устройству.

Пришло время ближе познакомиться с устройством и параметрами мощных MOSFET транзисторов, чтобы в случае необходимости более осознанно подобрать аналог для конкретного экземпляра, а также иметь возможность понимать суть тех или иных величин, указанных в даташите.

Что такое HEXFET транзистор?

В семействе полевых транзисторов есть отдельная группа мощных полупроводниковых приборов называемых HEXFET. Их принцип работы основан на весьма оригинальном техническом решении. Их структура представляет собой несколько тысяч МОП ячеек включенных параллельно.

Ячеистые структуры образуют шестиугольник. Из-за шестиугольной или по-другому гексагональной структуры данный тип мощных МОП-транзисторов и называют HEXFET. Первые три буквы этой аббревиатуры взяты от английского слова hexagonal – «гексагональный».

Под многократным увеличением кристалл мощного HEXFET транзистора выглядит вот так.

Как видим, он имеет шестиугольную структуру.

Получается, что мощный MOSFET, по сути представляет собой эдакую супер-микросхему, в которой объединены тысячи отдельных простейших полевых транзисторов. В совокупности они создают один мощный транзистор, который может пропускать через себя большой ток и при этом практически не оказывать значительного сопротивления.

Благодаря особой структуре и технологии изготовления HEXFET, сопротивление их канала R_DS(on) удалось заметно снизить. Это позволило решить проблему коммутации токов в несколько десятков ампер при напряжении до 1000 вольт.

Вот только небольшая область применения мощных HEXFET транзисторов:

Схемы коммутации электропитания.

Системы управления электродвигателями.

Усилители низкой частоты.

Ключи для управления мощными нагрузками.

Несмотря на то, что мосфеты, изготовленные по технологии HEXFET (параллельных каналов) обладают сравнительно небольшим сопротивлением открытого канала, сфера применения их ограничена, и они применяются в основном в высокочастотных сильноточных схемах. В высоковольтной силовой электронике предпочтение порой отдают схемам на основе IGBT.

Транзисторы HEXFET марки IRLZ44ZS

Изображение MOSFET транзистора на принципиальной электрической схеме (N-канальный МОП).

Как и биполярные транзисторы, полевые структуры могут быть прямой проводимости или обратной. То есть с P-каналом или N-каналом. Выводы обозначаются следующим образом:

О том, как обозначаются полевые транзисторы разных типов на принципиальных схемах можно узнать на этой странице.

Основные параметры полевых транзисторов.

Вся совокупность параметров MOSFET может потребоваться только разработчикам сложной электронной аппаратуры и в даташите (справочном листе), как правило, не указывается. Достаточно знать основные параметры:

V_DSS (Drain-to-Source Voltage) – напряжение между стоком и истоком. Это, как правило, напряжение питания вашей схемы. При подборе транзистора всегда необходимо помнить о 20% запасе.

I_D (Continuous Drain Current) – ток стока или непрерывный ток стока. Всегда указывается при постоянной величине напряжения затвор-исток (например, V_GS=10V). В даташите, как правило, указывается максимально возможный ток.

R_DS(on) (Static Drain-to-Source On-Resistance) – сопротивление сток-исток открытого канала. При увеличении температуры кристалла сопротивление открытого канала увеличивается. Это легко увидеть на графике, взятом из даташита одного из мощных HEXFET транзисторов. Чем меньше сопротивление открытого канала (R_DS(on)), тем лучше мосфет. Он меньше греется.

P_D (Power Dissipation) – мощность транзистора в ваттах. По-иному этот параметр ещё называют мощностью рассеяния. В даташите на конкретное изделие величина данного параметра указывается для определённой температуры кристалла.

V_GS (Gate-to-Source Voltage) – напряжение насыщения затвор-исток. Это напряжение, при превышении которого увеличения тока через канал не происходит. По сути, это максимальное напряжение между затвором и истоком.

V_GS(th) (Gate Threshold Voltage) – пороговое напряжение включения транзистора. Это напряжение, при котором происходит открытие проводящего канала и он начинает пропускать ток между выводами истока и стока. Если между выводами затвора и истока приложить напряжение меньше V_GS(th), то транзистор будет закрыт.

На графике видно, как уменьшается пороговое напряжение V_GS(th) при увеличении температуры кристалла транзистора. При температуре 175°C оно составляет около 1 вольта, а при температуре 0°C около 2,4 вольт. Поэтому в даташите, как правило, указывается минимальное (min.) и максимальное (max.) пороговое напряжение.

Рассмотрим основные параметры мощного полевого HEXFET-транзистора на примере IRLZ44ZS фирмы International Rectifier. Несмотря на впечатляющие характеристики, он имеет малогабаритный корпус D 2 PAK для поверхностного монтажа. Глянем в datasheet и оценим параметры этого изделия.

Предельное напряжение сток-исток (V_DSS): 55 Вольт.

Максимальный ток стока (I_D): 51 Ампер.

Предельное напряжение затвор-исток (V_GS): 16 Вольт.

Сопротивление сток-исток открытого канала (R_DS(on)): 13,5 мОм.

Максимальная мощность (P_D): 80 Ватт.

Сопротивление открытого канала IRLZ44ZS составляет всего лишь 13,5 миллиОм (0,0135 Ом)!

Взглянем на «кусочек» из таблицы, где указаны максимальные параметры.

Хорошо видно, как при неизменном напряжении на затворе, но при повышении температуры уменьшается ток (с 51A (при t=25°C) до 36А (при t=100°C)). Мощность при температуре корпуса 25°C равна 80 Ваттам. Так же указаны некоторые параметры в импульсном режиме.

Транзисторы MOSFET обладают большим быстродействием, но у них есть один существенный недостаток – большая ёмкость затвора. В документах входная ёмкость затвора обозначается как C_iss (Input Capacitance).

На что влияет ёмкость затвора? Она в большой степени влияет на определённые свойства полевых транзисторов. Поскольку входная ёмкость достаточно велика, и может достигать десятков пикофарад, применение полевых транзисторов в цепях высокой частоты ограничивается.

В схемах переключения время заряда паразитной входной ёмкости транзистора влияет на скорость его срабатывания.

Важные особенности MOSFET транзисторов.

Очень важно при работе с полевыми транзисторами, особенно с изолированным затвором, помнить, что они “смертельно” боятся статического электричества. Впаивать их в схему можно только предварительно закоротив выводы между собой тонкой проволокой.

При хранении все выводы МОП-транзистора лучше закоротить с помощью обычной алюминиевой фольги. Это уменьшит риск пробоя затвора статическим электричеством. При монтаже его на печатную плату лучше использовать паяльную станцию, а не обычный электрический паяльник.

Дело в том, что обычный электрический паяльник не имеет защиты от статического электричества и не «развязан» от электросети через трансформатор. На его медном жале всегда присутствуют электромагнитные «наводки» из электросети.

Любой всплеск напряжения в электросети может повредить паяемый элемент. Поэтому, впаивая полевой транзистор в схему электрическим паяльником, мы рискуем повредить MOSFET-транзистор.

Источник

Тема: Напряжение на затворе мосфета

Опции темы

Кто в этом хорошо разбирается, просветите, пожалуйста:

в тех же даташитах приводиться подробная информация о ВАХ в зависимости от напряжения затвора.
Часто производитель приводит данные о сопротивлении канала при разных напряжениях затвора (2.7В 3.3В 4.5В и т.д.).

Vgs по сути напряжение, при котором начинает проявляться эффект Миллера.

1) не существует границы линейный/ключевой режим, есть только разная скорость переключения.
2) Vgs не есть V_плато_миллера (которое выше и =началу изменения напряжения на стоке при переключении, потому зависит и от тока стока), это просто напряжение при котором через замкнутый с затвором сток пойдёт ток 250мкА при 25С.
3) в ключевых устройствах нужно переключать мосфет быстро (но и не слишком быстро тоже важно), например стандартные, напряжением не менее чем 10в.

Не очень хорошо понял. Вот график из даташита на IRFZ4N. В даташите он построен на логарифмической шкале по ординате, но всё равно видно, что зависимость линейная (на втором графике это видно лучше). Как же определить, в какой момент повышение Vgs уже не вызывает значительного изменения Id (т.е. ключевой режим)?

Либо имеется в виду, что надо исходить из максимального тока в своей схеме? Т.е. если у меня Idmax=10A, то у меня ключевой режим наступает уже при 4.5В.

Можно снять семейство характеристик, для токов 1-2-3-4-5 А. Будет очень наглядно.

Источник

Параметры полевых транзисторов: что написано в даташите

Силовые инверторы, да и многие другие электронные устройства, редко обходятся сегодня без применения мощных MOSFET (полевых) или IGBT-транзисторов. Это касается как высокочастотных преобразователей типа сварочных инверторов, так и разнообразных проектов-самоделок, схем коих полным полно в интернете.

Параметры выпускаемых ныне силовых полупроводников позволяют коммутировать токи в десятки и сотни ампер при напряжении до 1000 вольт. Выбор этих компонентов на современном рынке электроники довольно широк, и подобрать полевой транзистор с требуемыми параметрами отнюдь не является проблемой сегодня, поскольку каждый уважающий себя производитель сопровождает конкретную модель полевого транзистора технической документацией, которую всегда можно найти как на официальном сайте производителя, так и у официальных дилеров.

Прежде чем приступить к проектированию того или иного устройства, с применением названных силовых компонентов, всегда нужно точно знать, с чем имеешь дело, особенно когда выбираешь конкретный полевой транзистор. Для этого и обращаются к datasheet’ам. Datasheet представляет собой официальный документ от производителя электронных компонентов, в котором приводятся описание, параметры, характеристики изделия, типовые схемы и т.д.

Давайте же посмотрим, что за параметры указывает производитель в даташите, что они обозначают и для чего нужны. Рассмотрим на примере даташита на полевой транзистор IRFP460LC. Это довольно популярный силовой транзистор, изготовленный по технологии HEXFET.

HEXFET подразумевает такую структуру кристалла, когда в одном кристалле организованы тысячи параллельно-включенных МОП-транзисторных ячеек гексагональной формы. Это решение позволило значительно снизить сопротивление открытого канала Rds(on) и сделало возможным коммутацию больших токов. Однако, перейдем к обзору параметров, указанных непосредственно в даташите на IRFP460LC от International Rectifier (IR).

В самом начале документа дано схематичное изображение транзистора, приведены обозначения его электродов: G-gate (затвор), D-drain (сток), S-source (исток), а также указаны его главные параметры и перечислены отличительные качества. В данном случае мы видим, что этот полевой N-канальный транзистор рассчитан на максимальное напряжение 500 В, сопротивление его открытого канала составляет 0,27 Ом, а предельный ток равен 20 А. Пониженный заряд затвора позволяет использовать данный компонент в высокочастотных схемах при невысоких затратах энергии на управление переключением. Ниже приведена таблица (рис. 1) предельно допустимых значений различных параметров в различных режимах.

Id @ Tc = 25°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 20 А. При напряжении затвор-исток 10 В.

Id @ Tc = 100°C; Continuous Drain Current Vgs @ 10V — максимальный продолжительный, непрерывный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 100°C, составляет 12 А. При напряжении затвор-исток 10 В.

Idm @ Tc = 25°C; Pulsed Drain Current — максимальный импульсный, кратковременный ток стока, при температуре корпуса полевого транзистора в 25°C, составляет 80 А. При условии соблюдения приемлемой температуры перехода. На рисунке 11 (Fig 11) дается пояснение относительно соответствующих соотношений.

Pd @ Tc = 25°C Power Dissipation — максимальная рассеиваемая корпусом транзистора мощность, при температуре корпуса в 25°C, составляет 280 Вт.

Linear Derating Factor — с повышением температуры корпуса на каждый 1°C, рассеиваемая мощность возрастает еще на 2,2 Вт.

Eas Single Pulse Avalanche Energy — максимальная энергия единичного импульса на стоке составляет 960 мДж. Пояснение дается на рисунке 12 (Fig 12).

Iar Avalanche Current — максимальный прерываемый ток составляет 20 А.

Ear Repetitive Avalanche Energy — максимальная энергия повторяющихся импульсов на стоке не должна превышать 28 мДж (для каждого импульса).

dv/dt Peak Diode Recovery dv/dt — предельная скорость нарастания напряжения на стоке равна 3,5 В/нс.

Soldering Temperature, for 10 seconds — допустимая при пайке максимальная температура составляет 300°C, причем на расстоянии минимум 1,6мм от корпуса.

Mounting torque, 6-32 or M3 screw — максимальный момент при креплении корпуса не должен превышать 1,1 Нм.

Далее следует таблица температурных сопротивлений (рис 2.). Эти параметры будут необходимы при подборе подходящего радиатора.

Rjc Junction-to-Case (кристалл-корпус) 0.45 °C/Вт.

Rcs Case-to-Sink, Flat, Greased Surface (корпус-радиатор) 0.24 °C/Вт.

Rja Junction-to-Ambient (кристалл-окружающая среда) зависит от радиатора и внешних условий.

Следующая таблица содержит все необходимые электрические характеристики полевого транзистора при температуре кристалла 25°C (см. рис. 3).

V(br)dss Drain-to-Source Breakdown Voltage — напряжение сток-исток, при котором наступает пробой равно 500 В.

ΔV(br)dss/ΔTj Breakdown Voltage Temp.Coefficient — температурный коэффициент, напряжения пробоя, в данном случае 0,59 В/°C.

Rds(on) Static Drain-to-Source On-Resistance — сопротивление сток-исток открытого канала при температуре 25°C, в данном случае, составляет 0,27 Ом. Оно зависит от температуры, но об этом позже.

Idss Drain-to-Source Leakage Current — ток утечки стока, он зависит от напряжения сток-исток и от температуры. Измеряется микроамперами.

Igss Gate-to-Source Forward Leakage и Gate-to-Source Reverse Leakage — ток утечки затвора. Измеряется наноамперами.

Qg Total Gate Charge — заряд, который нужно сообщить затвору для открытия транзистора.

Qgs Gate-to-Source Charge — заряд емкости затвор-исток.

В данном случае эти параметры измерены при напряжении сток-исток, равном 400 В и при токе стока 20 А. На рисунке 6 дано пояснение относительно связи величины напряжения затвор-исток и полного заряда затвора Qg Total Gate Charge, а на рисунках 13 a и b приведены схема и график этих измерений.

td(on) Turn-On Delay Time — время открытия транзистора.

tr Rise Time — время нарастания импульса открытия (передний фронт).

td(off) Turn-Off Delay Time — время закрытия транзистора.

tf Fall Time — время спада импульса (закрытие транзистора, задний фронт).

В данном случае измерения проводились при напряжении питания 250 В, при токе стока 20 А, при сопротивлении в цепи затвора 4,3 Ом, и сопротивлении в цепи стока 20 Ом. Схема и графики приведены на рисунках 10 a и b.

Ld Internal Drain Inductance — индуктивность стока.

Ls Internal Source Inductance — индуктивность истока.

Данные параметры зависит от исполнения корпуса транзистора. Они важны при проектировании драйвера, поскольку напрямую связаны с временными параметрами ключа, особенно это актуально при разработке высокочастотных схем.

Ciss Input Capacitance — входная емкость, образованная условными паразитными конденсаторами затвор-исток и затвор-сток.

Crss Reverse Transfer Capacitance — емкость затвор-сток (емкость Миллера).

Данные измерения проводились на частоте 1 МГц, при напряжении сток-исток 25 В. На рисунке 5 показана зависимость данных параметров от напряжения сток-исток.

Следующая таблица (см. рис. 4) описывает характеристики интегрированного внутреннего диода полевого транзистора, условно находящегося между истоком и стоком.

Is Continuous Source Current (Body Diode) — максимальный непрерывный длительный ток диода.

Ism Pulsed Source Current (Body Diode) — максимально допустимый импульсный ток через диод.

Vsd Diode Forward Voltage — прямое падение напряжения на диоде при 25°C и токе стока 20 А, когда на затворе 0 В.

trr Reverse Recovery Time — время обратного восстановления диода.

Qrr Reverse Recovery Charge — заряд восстановления диода.

ton Forward Turn-On Time — время открытия диода обусловлено главным образом индуктивностями стока и истока.

Дальше в даташите приводятся графики зависимости приведенных параметров от температуры, тока, напряжения и между собой (рис 5).

Приведены пределы тока стока, в зависимости от напряжения сток-исток и напряжения затвор-исток при длительности импульса 20 мкс. Первый рисунок — для температуры 25°C, второй — для 150°C. Очевидно влияние температуры на управляемость открытием канала.

На рисунке 6 графически представлена передаточная характеристика данного полевого транзистора. Очевидно, чем ближе напряжение затвор-исток к 10 В, тем лучше открывается транзистор. Влияние температуры также просматривается здесь довольно отчетливо.

На рисунке 7 приведена зависимость сопротивления открытого канала при токе стока в 20 А от температуры. Очевидно, с ростом температуры увеличивается и сопротивление канала.

На рисунке 8 показана зависимость величин паразитных емкостей от приложенного напряжения сток-исток. Можно видеть, что уже после перехода напряжением сток-исток порога в 20 В, емкости меняются не значительно.

На рисунке 9 приведена зависимость прямого падения напряжения на внутреннем диоде от величины тока стока и от температуры. На рисунке 8 показана область безопасной работы транзистора в зависимости от длительности времени открытого состояния, величины тока стока и напряжения сток-исток.

На рисунке 11 показана зависимость максимального тока стока от температуры корпуса.

На рисунках а и b представлены схема измерений и график, показывающий временную диаграмму открытия транзистора в процессе нарастания напряжения на затворе и в процессе разряда емкости затвора до нуля.

На рисунке 12 изображены графики зависимости средней термической реакции транзистора (кристалл-корпус) на длительность импульса, в зависимости от коэффициента заполнения.

На рисунках a и b показаны схема измерений и график разрушительного действия на транзистор импульса при размыкании индуктивности.

На рисунке 14 показана зависимость максимально допустимой энергии импульса от величины прерываемого тока и температуры.

На рисунках а и b показаны график и схема измерений заряда затвора.

На рисунке 16 показана схема измерений параметров и график типичных переходных процессов во внутреннем диоде транзистора.

На последнем рисунке изображен корпус транзистора IRFP460LC, его размеры, расстояние между выводами, их нумерация: 1-затвор, 2-сток, 3-исток.

Так, прочитав даташит, каждый разработчик сможет подобрать подходящий силовой или не очень, полевой или IGBT-транзистор для проектируемого либо ремонтируемого силового преобразователя, будь то сварочный инвертор, частотник или любой другой силовой импульсный преобразователь.

Зная параметры полевого транзистора, можно грамотно разработать драйвер, настроить контроллер, провести тепловые расчеты, и подобрать подходящий радиатор без необходимости ставить лишнее.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Как выбрать mosfet.

1. Для начала надо узнать напряжение цепи в которой будет работать транзистор, это напряжение будет приложено к выводам Drain и Source.
Далее, необходимо отобрать транзисторы параметр Vds(Drain to Source Voltage ) которых минимум в 1.5 — 2 раза выше.

2. Другой не менее важный параметр — это ток, который мы хотим пропустить через транзистор. Максимальное значение тока, который можно пропустить через mosfet определяет параметр Id(Drain Current). Его значение также должно превышать реальный ток в 1.5 — 2 раза. Но это ещё не все, Id, в свою очередь, зависит от температуры.

На графике видно, что с увеличением температуры корпуса ток, который может пропустить через себя транзистор уменьшается. Поэтому реальное значение Id надо выбирать исходя из того, при какой температуре mosfet будет работать.

3.Так как мы собираемся управлять нагрузкой, у нас наверняка должна быть управляющая схема и нам необходимо узнать какое напряжение у неё на выходе. Это напряжение подаётся на вывод, именуемый затвором или gate.

Напряжение на затворе транзистора ограничивают два параметра:

Зная Rds можно найти ток, который потечёт через транзистор, для этого надо к сопротивлению нагрузки прибавить значение Rds и напряжение цепи поделить на получившееся сопротивление.

5.Осталось только разобраться какая мощность будет выделяться на кристалле и способен ли эту мощность рассеять транзистор. И здесь есть один нюанс, обычно в даташите указывают максимальную мощность кристалла при температуре корпуса 25°

Источник

Прекращаем ставить диод 2

Несколько лет назад мною была опубликована статья под аналогичным заголовком. Если кратко, то в ней я рассказал о процессе разработки с нуля устройства, выполняющего функции «идеального диода» для предотвращения разряда буферного аккумулятора на обесточенный блок питания.

Устройство получилось относительно сложным, хотя и довольно экономичным (ток потребления при использовании современной версии компаратора LM393 получился около 0.5 mA). Читатели обратили внимание на эту сложность и в комментариях предложили другой вариант «идеального диода», который выглядит на порядок более простым. К своему стыду, на тот момент я не был знаком с такой схемой, поэтому решил при удобном случае разобраться с ней подробнее. После серии экспериментов, которые начались с компьютерной симуляции, а закончились макетной платой, было выяснено, что при своей кажущейся простоте, эта схема очень нетривиальна как с позиции понимания всех протекающих в ней процессов, так и с точки зрения подводных камней, которые она в себе таит.

В общем, предлагаю вашему вниманию другой вариант реализации «идеального диода» с подробным описанием его особенностей.

Канонический вариант, предложенный в комментариях, имеет такой вид:

Всего четыре (или пять, смотря как считать) деталей и «идеальный диод» готов. Вроде бы все очень просто. Однако первое, что бросается в глаза, это использование сборки вместо обычных дискретных транзисторов. Может показаться, что это прихоть автора данного конкретного исполнения. Однако после изучения других вариантов обнаруживается, что такой подход используется почти во всех схемах, которые можно найти в сети. Тут мы и подходим к разбору принципа действия этой схемы.

Принцип действия

Для понимания принципа начинать лучше с момента, когда все переходные процессы уже завершены, и нагрузка потребляет некоторый ток от блока питания. Этот ток течет через ключ и из-за ненулевого сопротивления канала, напряжение в точке 1 немного больше, чем в точке 2. В этом случае ток из точки 1 через эмиттерный переход T1 попадает в цепь баз обоих транзисторов, а затем через R1 стекает на «землю». В результате на базах транзисторов устанавливается напряжение, равное напряжению открытия эмиттерного pn-перехода. Но из-за того, что эмиттер T2 находится под более низким потенциалом, чем эмиттер T1, ток через его базу почти не течет потому что напряжение между его эмиттером и базой меньше, чем необходимо для открытия перехода. А раз базового тока нет, то T2 закрыт, сопротивление эмиттер-коллектор высокое, затвор силового ключа заземлен через R2, что создает условия для его открытия. Как итог, ток течет из точки 1 в точку 2 через открытый канал силового ключа (а не просто через технологический диод) и падение напряжения на этом участке измеряется милливольтами.

При обесточивании блока питания напряжение в точке 1 очень быстро станет ниже, чем в точке 2. При этом ток прекратит течение через эмиттерный переход T1 и вместо этого начнет протекать через эмиттерный переход T2, открывая его. В итоге сопротивление эмиттер-коллектор транзистора T2 сильно уменьшится, затвор силового ключа окажется соединенным с истоком, и канал будет закрыт.

Исходя из вышесказанного, необходимым условием работы схемы является тождественность транзисторов T1 и T2. Особенно это касается напряжения открытия эмиттерных переходов. Оно, во-первых, должно совпадать с точностью не хуже единиц милливольт, а во-вторых, любые его колебания под действием температурного фактора должны быть синхронными для обоих транзисторов.

Именно поэтому использование дискретных транзисторов в этой схеме недопустимо. Только изготовленная в рамках единого технологического цикла пара может считаться достаточно тождественной. А их размещение на общей подложке гарантирует необходимую температурную связь.

И уж тем более лишен смысла вариант схемы, который тоже можно найти на просторах интернета, где вместо одного из транзисторов используется диод.

Такая схема при определенном везении заработает, но ни о какой надежности работы тут речи просто не идет.

Кстати, некоторые авторы идут дальше, и кроме транзисторной сборки используют так же и резисторную (либо дискретные резисторы с допуском 1% или лучше), мотивируя это необходимостью дальнейшего соблюдения симметрии схемы. На самом деле резисторы совершенно не нуждаются в точном подборе, но об этом ниже.

А на самом деле?

Приведенное выше объяснения принципа действия является сильно упрощенным, оно дает краткий ответ на вопрос «как работает», но не дает понимания глубинных процессов, происходящих в схеме, и, в частности, никак не обосновывает выбор номиналов элементов.

Так что, если кому интересны подробности, то читаем дальше, а кому достаточно практической схемы, просто скрольте до последнего изображения статьи.

Для наглядности давайте сначала перевернем схему, заменим PNP-транзисторы более привычными NPN, и, наконец, немного усложним, чтобы было понятно, откуда вообще взялся конечный вариант.

Итак, что мы тут видим? Два простых усилительных каскада по схеме ОЭ и общая цепь смещения через резистор Rs. Если транзисторы одинаковые, то ток, текущий через резистор смещения, поровну разделится между базами обоих транзисторов и приоткроет их на одинаковую величину. В результате через коллекторные нагрузочные резисторы потекут одинаковые токи, и выходные напряжения в точках OUT1 и OUT2 будут тоже равны.

Теперь вернемся к нашим баранам и вспомним, что эмиттеры транзисторов не соединены вместе, напротив, между ними может возникать разность потенциалов, равная падению напряжения на открытом канале силового ключа. Учитывая величину сопротивления канала, разность напряжений между эмиттерами может составлять от единиц до сотен милливольт. Вот как это выглядит на нашей схеме.

В результате смещения эмиттер T2 оказывается немного «выше над землей», чем эмиттер T1, а значит напряжение Ube2 будет ниже, чем Ube1. Теперь вспомним, как выглядит ВАХ эмиттерного pn-перехода.

Если рабочая точка находится в области максимального наклона характеристики, то даже незначительное изменение приложенного напряжения ведет к очень сильному изменению протекающего тока, т.е. чем ниже прямое напряжение, тем больше эквивалентное сопротивление перехода.

Снова посмотрим на схему. Напряжение на эмиттерном переходе T2 уменьшилось, его эквивалентное сопротивление увеличилось, а значит ток смещения, текущий через Rs уже не разделяется симметрично между базами транзисторов, а течет преимущественно через эмиттерный переход T1. От этого T1 открывается, а T2, соответственно, закрывается на ту же величину. Распределение токов теряет симметрию и схему как-бы «перекашивает». Причем абсолютная величина перекоса равна коэффициенту передачи тока транзисторов (не суммарно, а каждого в отдельности, при условии, что транзисторы одинаковые).

Если мы перевернем разность потенциалов эмиттеров на обратную, схему аналогично перекосит в противоположную сторону: чем больше коллекторный ток у одного транзистора, тем меньше у второго и наоборот. В итоге имеем «обратное» токовое зеркало, где под влиянием одного входного сигнала происходит симметрично-противоположное изменение токов в плечах схемы.

Классическое «прямое» токовое зеркало (как те, что входят в состав операционных усилителей и компараторов) отличается тем, что в нем наоборот под влиянием двух однополярных входных величин в противоположные стороны изменяется ток одного транзистора.

Идем дальше. Полученная схема дает нам понятие о ролях резисторов. Коллекторные резисторы R1 и R2 являются нагрузкой транзисторов. Их роль – питание тех цепей, которые подключаются к нашей схеме, как к источнику управляющего сигнала. А значит, их сопротивление должно быть таким, чтобы протекающего через них тока было достаточно для активации входных цепей нагрузки. В данном конкретном случае нагрузкой является затвор MOS-транзистора, который имеет входное сопротивление многие мегаомы.

В даташитах обычно указывается не входное сопротивление, а ток утечки затвора при заданном напряжении. Из этого тока можно определить оммическое сопротивление изоляции затвора и защитных диодов. Например, для транзистора IRF5305 заявлен ток утечки не более 100 нано-ампер при напряжении 20 вольт. Простой подсчет дает нам величину входного сопротивления по меньшей мере 200 МОм.

При таком входном сопротивлении потребителя можно было бы использовать очень высокоомные нагрузочные резисторы, уменьшив таким образом собственное потребление транзисторов до наноамперного уровня. Однако лучше не «шиковать» слишком сильно, потому что высокоимпедансные цепи становятся чувствительными к разнообразным наводкам. А кроме того, при субмикроамперных коллекторных токах падает коэффициент усиления биполярного транзистора. Наиболее уместным сопротивлением нагрузок в данном случае можно считать сотни кОм. Это оптимальное сопротивление с точки зрения надежности, и при этом достаточно высокое с позиции экономичности.

С коллекторными резисторами разобрались. Теперь перейдем к резистору смещения Rs. Что зависит от его сопротивления? От него зависят начальные токи коллекторов, то есть токи полностью сбалансированной схемы. Причем эти токи зависят и от выбранных ранее номиналов нагрузочных резисторов, и от коэффициента усиления транзисторов. Так какое же значение этого сопротивления все-таки будет оптимальным? А такое, при котором режимы транзисторов окажутся в точках наименьшей устойчивости.

Ведь чем проще схема поддается влиянию дисбалансирующих факторов, тем выше получается ее чувствительность ко входному сигналу. Именно поэтому в отсутствие входного сигнала транзисторы не должны быть полностью открытыми или полностью закрытыми, они должны быть в промежуточном состоянии.

Тут уместна аналогия с простейшими качелями-балансирами. Если такие качели находится в равновесии, то вывести их из этого состояния проще всего: легкий толчок, и они наклоняются в нужную сторону. А вот если они уже перекошены грузом на одном из плечей, выведение из такого устойчивого состояния требует значительных усилий.

Поэтому наилучшим сопротивлением Rs является такое, при котором напряжения на коллекторах транзисторов примерно равны половине питающего напряжения. Это условие не нужно воспринимать буквально и подбирать сопротивление до ома. Более того, для уменьшения рабочих токов вполне допустимо сознательно увеличить Rs так, чтобы напряжения на коллекторах было примерно на 5 вольт ниже питающего. Это оставит достаточный запас для надежного управления силовым ключом, но при этом до минимума уменьшит токи во всех цепях, а значит и потребление схемы.

Для управления современным силовым MOSFET-том на его затвор нужно подавать напряжение, не менее того, что заявлено в строке «Gate threshold voltage» даташита. Для типичного современного транзистора это напряжение равно 3-4 вольта, отсюда и выбранное значение 5 вольт, которого гарантировано хватит чтобы полностью открыть транзистор при минимальном входном сигнале.

Что касается конкретного номинала Rs, то натурный эксперимент показал, что, например, для сборки BC807DS его сопротивление должно быть примерно 5 MОм. Для других транзисторов эта величина может отличаться, но есть еще один фактор, который играет нам на руку и уменьшает необходимость в тонком подборе сопротивлений.

Дело в том, что в реальной схеме, когда через силовой ключ начнет идти ток, выводящий схему из равновесия, напряжение на затворе начнет изменяться, а значит, начнет изменяться и сопротивление канала. И вот эта обратная связь носит усиливающий характер, когда падение напряжения на канале приводит к дисбалансу схемы, от чего изменяется напряжение на затворе так, что сопротивление канала меняется еще сильнее, что ведет к еще большему перекосу. И так продолжается до достижения крайнего положения, в котором силовой ключ больше не реагирует изменением сопротивления канала на изменение напряжения затвора. Однако, если коэффициент усиления транзистора достаточно большой, то процесс идет дальше, вплоть до достижения напряжения питания или нуля (в зависимости от соотношения напряжений в точках 1 и 2).

Таким образом, реальная схема, которую можно нарисовать с учетом сказанного выше, может иметь такой вид:

И в таком виде она действительно изредка встречается на сайтах, посвященных электронике. Однако начинали мы с другой вполне рабочей схемы, которая и проще и встречается гораздо чаще. Что отличает эти два варианта? Давайте снова на короткое время вернемся к прототипу, с которого начинали подробный разбор.

Что в этой схеме лишнее? По той причине, что управляющее напряжение для затвора силового ключа мы снимаем с коллектора одного из транзисторов (точка OUT2), напряжение на коллекторе второго (OUT1) нас совершенно не волнует. А по той причине, что наличие или отсутствие малого коллекторного тока весьма слабо сказывается на вольт-амперной характеристике эмиттерного перехода, нагрузочный резистор R1 спокойно можно удалить из схемы. А чтобы коллекторный вывод T1 не болтался воздухе и не собирал наводки, его лучше соединить с базой T1 (хотя делать это не обязательно, схема отлично работает и с оборванным выводом коллектора).

Итоговая схема принимает до боли знакомый вид:

Причем я специально сохранил расположение резисторов как в прототипе, чтобы подчеркнуть тот факт, что резисторы эти выполняют совершенно разные функции. Это не очевидно на исходной схеме, зато хорошо видно здесь, особенно после всех объяснений и выкладок. Левый резистор – это резистор смещения Rs, а правый – нагрузочный резистор R2 из схемы прототипа. Они не то что не должны быть совершенно одинаковыми (как думают некоторые авторы), их номиналы вообще взаимосвязаны очень косвенно и в общем случае не обязаны даже иметь общий порядок.

Именно поэтому нет никакой надобности использовать в этом месте резисторную сборку или дискретные резисторы малого допуска.

А еще из этой схемы следует, что питание устройство получает из точки 2, а точка 1 – просто источник входного сигнала. Таким образом, когда напряжение присутствует только в точке 2, питание подается непосредственно, а если только в точке 1, то сначала запитка происходит через технологический диод силового транзистора, а затем, когда схема проснется и начнет работать, уже через открытый канал.

Подводный камень №1

С принципом действия и номиналами разобрались, результат на схеме:

Именно в таком виде схему массово рекомендуют на разных форумах, но есть пара нюансов, которые сильно ограничивают ее практическое применение. Первая проблема заключается в одном параметре биполярных транзисторов, о котором не принято вспоминать в большинстве практических применений. Вот он:

Оказывается, что максимальное обратное напряжение эмиттерного перехода большинства маломощных транзисторов составляет единицы вольт, и вот чем это грозит нашей схеме. Если напряжение есть только в точке 2, а точка 1 через небольшое сопротивление соединена с землей (как раз так себя ведет обесточенный блок питания), то ток из точки 2 через прямосмещенный эмиттерный переход T2 попадает на обратносмещенный эмиттерный переход T1, за которым уже почти земля. То есть почти все напряжение точки 2 оказывается приложено к эмиттерному переходу T1.

И вот тут и происходит самое интересное. Если напряжение в точке 2 выше предельно допустимого, то эмиттерный переход T1 входит в режим лавинного пробоя, и при достаточно малом значении RL, транзистор просто выходит из строя.

Таким образом, надежная эксплуатация этой схемы возможна только при рабочих напряжениях не выше, чем то, что заявлено в даташите на выбранный транзистор, т.е. на практике это не более 5-8 вольт. Даже 12-вольтовый источник формально уже не может быть подключен к такой схеме.

Тут кстати, интересный факт. Я перепробовал несколько сборок разного типа, у которых заявлено максимальное напряжение эмиттерного перехода от 5 до 8 вольт, и все они показали напряжение лавинного пробоя аж 12-13 вольт. Однако не стоит на это рассчитывать в практических схемах, не зря же говорят, что спецификации пишутся дымом сгоревших компонентов.

Если нужно коммутировать относительно высокое напряжение, то транзистор T1 нуждается в защите. Проще всего это сделать, просто внеся дополнительное сопротивление, которое ограничит обратный ток через переход.

Этот резистор внесет некоторый дисбаланс в схему, однако по той причине, что его сопротивление довольно мало по сравнению с сопротивлением резистора смещения, влияние будет минимальным и на практике не ощутимым. Кроме того, через этот резистор потечет небольшой ток утечки из точки 2 в точку 1, который сделает наш диод не таким идеальным, как хотелось бы. Но тут приходится идти на некоторый компромисс.

Некоторые авторы (те немногие, которые осознали саму необходимость защиты) предлагают дополнительно оградить эмиттерный переход при помощи прямо включенного диода.

Этот диод позволяет вообще не достигать порогового значения напряжения, ограничив его величиной прямого падения, то есть менее одного вольта.

Однако по моему скромному мнению, скрипач диод не нужен. Дело в том, что лавиный пробой для любого pn-перехода является совершенно нормальным режимом работы и с ним не нужно бороться.

Старая поговорка гласит: убивает не напряжение, убивает ток. И это относится не только к случаю поражению человека электрическим током. С диодами и транзисторами ситуация аналогичная. Лавинный пробой сам по себе полностью обратим и штатным образом используется, например, в стабилитронах. А дурная слава закрепилась за ним из-за того, что в силовых схемах это явление как правило сопровождается неконтролируемым ростом тока, протекающего через переход, сильным нагревом, и следующим за ним уже необратимым тепловым пробоем.

Подводный камень №2

Если схему планируется использовать при напряжениях около 12 вольт, то все можно оставить как есть и наслаждаться. Но ситуации в жизни бывают разные и рано или поздно напряжение может оказаться и выше, например 24-27 вольт, как в бортовой сети больших автомобилей.

И вот тут всплывает еще одно ограничение, о котором тоже не часто приходится вспоминать при проектировании маловольтажных схем. Дело в том, что затвор MOSFET отделен от канала тончайшей оксидной пленкой. Ее толщина определяет передаточные свойства транзистора и на практике составляет единицы атомов оксида кремния. Естественно, что электрическая прочность такого тонкого диэлектрика оказывается весьма невысокой. Заглянем в даташит типового мощного «полевика».

Тут мы видим, что предельное напряжение завтора – 20 вольт. А теперь снова посмотрим на конечную схему нашего устройства и подумаем, что будет, когда транзистор T2 окажется полностью закрыт. В этом случае затвор полевого транзистора через R2 окажется заземлен. А так как сопротивление затвора, как мы выяснили выше, имеет порядок сотен мегаом, потенциалы распределятся так, что почти все напряжение питания будет приложено к изоляции затвора.

При питании напряжением выше 20 вольт получаем риск пробоя затвора силового ключа. Чтобы этого не произошло, нужно как-то ограничить напряжение между истоком и затвором до допустимой величины. Проще всего сделать это при помощи стабилитрона, шунтирующего выводы истока и затвора.

В этом случае даже если транзистор T2 окажется полностью закрыт, излишний ток возьмет на себя стабилитрон, и напряжение на затворе ограничится напряжением стабилизации D1. Именно поэтому напряжение стабилизации должно быть в диапазоне от параметра «Gate Threshold Voltage» до «Gate-to-Source Voltage», с небольшими отступами, конечно же.

В принципе, в некоторых даташитах в составе силового MOS-транзистора рисуют встречно-последовательную пару стабилитронов между затвором и истоком, которая, надо полагать, как раз и предназначена для ограничения напряжения на затворе. Так что тут каждый пусть решает сам, доверять судьбу транзистора встроенной защитной цепи, или же подстраховаться собственными силами.

Источник