Как подключить полевой транзистор к Arduino: схемы и примеры использования MOSFET

Как правильно подключить полевой MOSFET транзистор к Arduino. Какие схемы подключения существуют. Как управлять нагрузкой с помощью MOSFET и Arduino. Какие преимущества у полевых транзисторов перед биполярными.

Что такое полевой транзистор MOSFET

Полевой транзистор MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) — это полупроводниковый прибор, использующийся для управления током в электрических цепях. В отличие от биполярных транзисторов, MOSFET управляется напряжением, а не током.

Основные преимущества MOSFET транзисторов:

• Высокое входное сопротивление — практически не потребляют ток для управления
• Могут коммутировать большие токи
• Быстрое переключение
• Низкое сопротивление в открытом состоянии
• Простота управления

Благодаря этим свойствам, MOSFET транзисторы часто используются для управления мощной нагрузкой с помощью микроконтроллеров вроде Arduino.

Принцип работы MOSFET транзистора

Полевой MOSFET транзистор имеет три вывода:

• Затвор (Gate) — управляющий электрод
• Исток (Source) — вывод, через который ток выходит из транзистора
• Сток (Drain) — вывод, через который ток входит в транзистор

Принцип работы MOSFET заключается в следующем:

1. При подаче положительного напряжения на затвор относительно истока, в канале транзистора формируется проводящий слой
2. Чем выше напряжение на затворе, тем больше ток может протекать между стоком и истоком
3. При достижении порогового напряжения на затворе, транзистор полностью открывается и ток достигает максимума

Таким образом, изменяя напряжение на затворе, можно управлять током, протекающим через MOSFET транзистор.

Схема подключения MOSFET к Arduino

Существует несколько основных схем подключения MOSFET транзистора к Arduino для управления нагрузкой:

1. Простая схема с общим истоком

Это базовая схема для управления нагрузкой постоянного тока:

• Затвор MOSFET подключается к цифровому выходу Arduino через резистор 100-220 Ом
• Исток подключается к земле (GND)
• Сток подключается к минусу нагрузки
• Плюс нагрузки подключается к питанию

При подаче высокого уровня на выход Arduino, MOSFET открывается и нагрузка включается. При низком уровне — закрывается и нагрузка выключается.

2. Схема с подтягивающим резистором

Для более надежной работы рекомендуется добавить подтягивающий резистор между затвором и истоком:

• Резистор 10-100 кОм подключается между затвором и истоком MOSFET
• Остальные соединения как в базовой схеме

Этот резистор обеспечивает надежное закрытие транзистора при отсутствии сигнала от Arduino.

3. Схема для управления высоковольтной нагрузкой

Если напряжение нагрузки превышает напряжение питания Arduino, используется следующая схема:

• Между Arduino и затвором MOSFET устанавливается оптопара
• Выход оптопары подключается к затвору через резистор 1-10 кОм
• Между затвором и истоком ставится подтягивающий резистор 10-100 кОм

Такая схема обеспечивает гальваническую развязку и позволяет управлять высоковольтной нагрузкой.

Примеры использования MOSFET с Arduino

Управление светодиодом

Простейший пример — управление мощным светодиодом:

«`cpp const int gatePin = 9; // Пин Arduino для управления затвором MOSFET void setup() { pinMode(gatePin, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(gatePin, HIGH); // Включаем светодиод delay(1000); digitalWrite(gatePin, LOW); // Выключаем светодиод delay(1000); } «`

Этот код будет включать и выключать светодиод с интервалом в 1 секунду.

ШИМ-регулирование яркости

MOSFET позволяет использовать ШИМ для плавной регулировки яркости:

«`cpp const int gatePin = 9; // Пин Arduino с поддержкой ШИМ void setup() { pinMode(gatePin, OUTPUT); } void loop() { for (int brightness = 0; brightness <= 255; brightness++) { analogWrite(gatePin, brightness); delay(10); } for (int brightness = 255; brightness >= 0; brightness—) { analogWrite(gatePin, brightness); delay(10); } } «`

Этот код будет плавно увеличивать и уменьшать яркость светодиода.

Выбор MOSFET транзистора

При выборе MOSFET для работы с Arduino нужно учитывать следующие параметры:

• Максимальное напряжение сток-исток — должно быть выше напряжения нагрузки
• Максимальный ток стока — должен быть выше тока нагрузки с запасом
• Пороговое напряжение затвор-исток — должно быть ниже выходного напряжения Arduino (обычно 3-5В)
• Сопротивление канала в открытом состоянии — чем ниже, тем меньше нагрев

Популярные модели MOSFET для работы с Arduino:

• IRLZ44N — до 55В, 47А
• IRL540N — до 100В, 36А
• IRF520N — до 100В, 9.7А

Преимущества MOSFET перед биполярными транзисторами

При работе с Arduino MOSFET имеет ряд преимуществ перед биполярными транзисторами:

1. Управление напряжением, а не током — не нагружает выходы микроконтроллера
2. Высокое входное сопротивление — не требует токоограничивающего резистора
3. Может коммутировать большие токи
4. Низкое сопротивление в открытом состоянии — меньше нагрев
5. Высокое быстродействие — подходит для ШИМ на высоких частотах

Это делает MOSFET оптимальным выбором для управления мощной нагрузкой с помощью Arduino.

Типичные ошибки при работе с MOSFET

При использовании MOSFET транзисторов с Arduino следует избегать следующих ошибок:

• Превышение максимального напряжения затвор-исток
• Неправильная полярность подключения (для N-канальных и P-канальных MOSFET)
• Отсутствие подтягивающего резистора на затворе
• Превышение максимального тока стока
• Недостаточное напряжение на затворе для полного открытия канала

Соблюдение этих правил обеспечит надежную и безопасную работу схемы.

Заключение

Полевые MOSFET транзисторы являются отличным выбором для управления мощной нагрузкой с помощью Arduino. Они просты в подключении, эффективны и позволяют реализовать различные схемы управления — от простого включения/выключения до ШИМ-регулирования. При правильном выборе модели и соблюдении основных правил подключения, MOSFET обеспечивает надежную работу в самых разных проектах на базе Arduino.

062-Как подключить к микроконтроллеру нагрузку? — GetChip.net

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите :). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы  что-то захотите добавить – буду только рад).

Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1-включено, 0-выключено. Начнем.

 

1 НАГРУЗКА ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т. д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.

Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА. Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн [Om]

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ. При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).

BC547.pdf (10812 Загрузок)

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:

— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Для применения можно порекомендовать мощные транзисторы IRF630, IRF640. Их часто используют и поэтому их легко достать.
IRF640.pdf (18152 Загрузки)

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
ULN2003.pdf (19829 Загрузок)

 

2 НАГРУЗКА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны  напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы  типа BT138.
BT138.pdf (6789 Загрузок)

2.3 Подключение нагрузки при помощи твердотельного реле.
С недавних пор у радиолюбителей появилась очень замечательная штука — твердотельные реле. Представляют они из себя оптические приборы (еще их называют оптореле), с одной стороны, в общем случае, стоит светодиод, а с другой полевой транзистор со светочувствительным затвором. Управляется эта штука малым током, а манипулировать может значительной нагрузкой.

Подключать твердотельное реле к микроконтроллеру очень просто — как светодиод — через резистор.
Достоинства налицо: малые размеры, отсутствие механического износа, возможность манипулировать большим током и напряжением и самое главное оптическая развязка от опасного напряжения. Нагрузка может быть как постоянного, так и переменного тока в зависимости от конструкции реле. Из недостатков следует отметить относительную медлительность (чаще всего для коммутации используется полевик) и довольно значительную стоимость реле.

Если не гнаться за завышенными характеристиками можно подобрать себе прибор по приемлемой цене. Например, реле CPC1030N управляется током от 2мА, при этом способно коммутировать нагрузку переменного и постоянного тока 120мА и 350v (очень полезная для радиолюбителей вещь!)
CPC1030N.pdf (Одна Загрузка)

 

(Visited 161 216 times, 2 visits today)

Транзисторы работающие как реле в ключевом режиме

Если нужно использовать транзистор в качестве «реле», то есть чтоб он или был полностью открыт, или полностью закрыт (не проводил ток совсем), лучше всего подключить его в конфигурации с общим эмиттером (если это биполярный транзистор) или с общим истоком, если используем полевой МОП-транзистор. В зависимости от того как требуется управлять нагрузкой и надо выбрать соответствующий транзистор:

• NPN (биполярный) или с каналом N-типа (MOSFET), если отрицательный кабель должен быть отключен, а положительный – подключен постоянно,
• PNP (биполярный) или с каналом P-типа (MOSFET), если положительный кабель должен быть отключен, а отрицательный подключен постоянно.

Все четыре варианта включения показаны на схемах ниже:

Чтобы включить такой транзистор, на его базу или затвор должно подаваться напряжение:

• выше, чем на эмиттер или исток (для транзисторов NPN или с каналом N)
• ниже, чем на эмиттер или исток (для транзисторов PNP или с каналом P).

Напряжение может поступать от микроконтроллера, оптрона или другой схемы управления, например компаратора. Вот как это делается на практике.

В случае биполярных транзисторов надо установить соответствующий высокий базовый ток. Только тогда транзистор может насыщаться и нормально функционировать как реле. А двухпозиционное транзисторное управление ограничит потери рассеиваемой мощности.

Если нужно использовать MOSFET, значение этого управляющего напряжения должно превышать пороговое напряжение UGSth транзистора в несколько раз. Затвор полевого МОП-транзистора не потребляет ток, когда он полностью открыт. Для перезарядки пропускной способности затвора требуется протекание тока. Также обратите внимание на максимальное напряжение затвор-исток, которое обычно составляет 12 – 20 В – подробности в даташите для данного транзистора. Превышение этого значения может привести к выходу из строя радиоэлемента.

Транзистор выключается путем приведения его напряжения база-эмиттер (или затвор-исток) к нулю. Самый простой способ сделать это – подключить управляющий вход к линии, к которой подключен эмиттер (или исток). Остерегайтесь PNP или P-канальных транзисторов – если схема управления запитана от напряжения ниже чем транзистор, его нельзя будет выключить. Тут необходимо использовать дополнительную схему управления или брать транзистор типа NPN (или с каналом N).

 

Резисторы R1 в каждом из решений отключают транзистор, когда управляющий сигнал не подан. Его сопротивление не критично, обычно принимают в пределах 10 – 100 кОм. Резисторы R2 ограничивают ток, протекающий через базы биполярных транзисторов, и их сопротивление можно рассчитать по формуле:

R2 = ((USTER – UBE) · bMIN) / (Icmax · k)

• Icmax – максимальный ток, который может потреблять нагрузка.
• bMIN – минимальное значение коэффициента усиления по току данного транзистора.
• USTER – базовое управляющее напряжение от цепи управления.
• UBE – напряжение в открытом состоянии база-эмиттер (около 0,7 В для обычных биполярных транзисторов, около 1,5 В для транзисторов Дарлингтона).
• k – коэффициент ограничения, определяющий степень насыщения транзистора. Предполагается, что должен быть 2 и более.

Резисторы R3 играют аналогичную роль – ограничивают ток затвора. Однако их значение не так критично, потому что они ограничивают ток только при переключении транзистора. Обычно можно использовать тоже 10 – 100 Ом.

Биполярный транзистор или полевой

Когда следует выбирать биполярный транзистор, а когда – полевой МОП-транзистор? В подавляющем большинстве устройств MOSFET победит – у него низкие потери мощности. Биполярный же транзистор стоит рассмотреть при низком управляющем напряжении (например, 1,8 В).

В схемах с биполярными транзисторами резисторы R1 подключались непосредственно рядом с управляющим выходом, а в случае полевых МОП-транзисторов – между затвором и истоком. В связи с этим они не принимают базовый ток биполярных транзисторов, необходимый для их надлежащего насыщения. С другой стороны, в случае полевых МОП-транзисторов резисторы R1 не оказывают такого большого влияния на их работу, потому что сопротивления R1 и R3 существенно различаются, R1 больше R3.

Далее приведены 4 примера управления Arduino нагрузкой, потребляющей ток до 0,5 А. Все питаются от 5 В.

Если данная нагрузка включает в себя катушку или двигатель, соответствующий защитный диод должен быть обязательно подключен параллельно к ней. Это защитит транзистор от повреждения во время его выключения при возникновении перенапряжения на индуктивности.

Управление полевым транзистором от микроконтроллера

При управлении полевыми МОП-транзисторами непосредственно с выхода микроконтроллера следует помнить о нескольких вещах: пороговое напряжение транзистора UGSth, входная емкость транзистора, уровень напряжения, если стоит P-канальный.

Резистор R2 (схема выше) удерживает транзистор закрытым при выключении микроконтроллера. Его сопротивление не критично, обычно его принимают в пределах 10 кОм – 100 кОм. С другой стороны, резистор R1 снижает ток потребляемый с выхода микроконтроллера, при изменении логического состояния. Точное значение определить сложно, поэтому оно может быть в диапазоне от 10 Ом до 100 Ом. Схема для MOSFET-P будет работать только тогда, когда напряжение питания микроконтроллера и схемы, управляемой транзистором, одинаковы.

Для полного открытия полевого МОП-транзистора требуется напряжение затвор-исток, в 2 – 3 раза превышающее пороговое напряжение. Если производитель указывает, что например у BUZ11, пороговое напряжение UGSth не более 4 В, то полное открытие произойдет при UGS = 8 – 12 В. Так что управление им с микроконтроллера на 5 В точно будет некорректным. Понадобится использовать транзистор с более низким пороговым напряжением, например IRLML0030, где максимальное UGSth = 2,3 В.

Входная емкость полевого МОП-транзистора составляет от нескольких сотен пикофарад до нескольких нанофарад. Выход микроконтроллера может проводить ток в несколько десятков миллиампер. Это означает, что время перезарядки затвора значительно. Например, току 20 мА требуется 1 мкс, чтобы перезарядить емкость 4 нФ на 5 В.

Ещё одна проблема возникнет только с транзисторами с каналом P-типа. Для их выключения необходимо довести напряжение затвор-исток до нуля, что предполагает уравнивание потенциала затвора с потенциалом истока. Следовательно, в такой схеме транзисторный исток может быть подключен к тому же напряжению, от которого запитан микроконтроллер, то есть 5 В. Управление транзистором (отключение) будет некорректным, если напряжение затвор-исток слишком сильно отличается от нуля.

Так что если: транзистор с высоким пороговым напряжением UGSth должен быть активирован, напряжение питания микроконтроллера очень низкое (например 1,8 В), сигнал ШИМ имеет высокую частоту, или транзистор с каналом P подключен к гораздо более высокому напряжение (например, 24 В), тогда необходимо использовать драйвер MOSFET. На рынке есть множество таких типов микросхем. Они обеспечат соответствующую скорость переключения и регулируют уровни напряжения. Пример – TC4426. Он работает с напряжением до 18 В и хорошо поддерживает выходы микроконтроллеров даже от 3,3 В.

FET в качестве коммутатора | Работа MOSFET или JFET в качестве переключателя

В этом руководстве мы узнаем о полевых транзисторах или FET, их работе, областях работы и увидим работу FET в качестве переключателя. Мы увидим, как JFET и MOSFET можно использовать в коммутационных приложениях.

Краткое описание

Введение

Большое разнообразие преимуществ, таких как высокое входное сопротивление, простота изготовления, простота эксплуатации и т. д., делают полевые транзисторы широко используемыми в различных приложениях, особенно в системах с интегральными схемами. 9Полевые транзисторы 0003

— это транзисторы поколения 2 ^{-го поколения} после биполярных транзисторов. Их можно использовать в качестве усилителей в осциллографах, контрольно-измерительных приборах, электронных вольтметрах и т. д., а также в коммутационных действиях.

Давайте подробно рассмотрим работу полевого транзистора в качестве переключателя. Но перед этим мы должны сначала взглянуть на основы полевого транзистора и его работы.

[адсенс1]

НАВЕРХ

FET и его рабочие регионы

Полевой транзистор — это униполярное устройство, в котором ток переносится только основными носителями (либо мотыгами, либо электронами). FET — это устройство, управляемое напряжением, что означает, что за счет управления напряжением между затвором и истоком выходной ток изменяется.

Давайте рассмотрим N-канальный JFET для понимания рабочих областей. Работа или характеристики JFET разделены на три разные области, а именно омическую область, область насыщения и область отсечки. Напряжение, прикладываемое к стоку, обозначается как V _DS (иногда также обозначается как V _DD ), а напряжение на затворе обозначается как V _GS или V _GG .

n-канал JFET Режимы работы FET

Омическая область (V _DS > 0 и V _DS P )

В этом региональном канале. Разбил уровень канала. а полевой транзистор действует как переменный резистор.

При этом значение V _DS больше нуля и меньше V _P , чтобы канал не защемлялся, а ток I _D увеличивался. Когда мы увеличиваем напряжение истока затвора V _GS , проводимость канала падает, а сопротивление увеличивается. Следовательно, области истощения будут расширяться больше, что делает канал узким. Сопротивление канала обычно изменяется от 100 Ом до 10 кОм и, очевидно, регулирует напряжение. Следовательно, в этой области транзистор действует как резистор, управляемый напряжением.

[адсенс2]

Область насыщения (V _DS > V _GS — V _P )

Эта область начинается с точки, где V _DS больше V _GS Minus V _P , здесь V _{V GS V P , V GS V P , V GS V P , V GS V P , V GS V P , V GS V P , V GS . P} — напряжение отсечки. В этой области ток стока I _D полностью зависит от V _GS и не зависит от V _DS . Полевой транзистор работает в этой области для усиления сигналов, а также для операций переключения. Из рисунка видно, что при V _GS равен нулю, протекает максимальный ток I _D . Когда мы меняем V _GS на более отрицательное, то ток стока падает. При определенном значении V _GS ток стока протекает через устройство постоянно. Следовательно, эту область также называют областью постоянного тока.

Область отсечки (V _GS < V _P )

Это область, в которой ток стока I _D равен нулю и устройство выключено. При этом напряжение истока затвора V _GS меньше напряжения отсечки V _P . Это означает, что значение V _GS более отрицательное, чем V _P . Следовательно, канал закрывается и не пропускает ток через устройство.

НАВЕРХ

Полевой транзистор в качестве переключателя (JFET)

Из приведенного выше обсуждения становится ясно, что полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя, работая в двух областях: области отсечки и области насыщения. . Когда V _GS равно нулю, полевой транзистор работает в области насыщения и через него протекает максимальный ток. Следовательно, это похоже на полностью включенное состояние. Точно так же, когда приложенное VGS более отрицательное, чем напряжение отсечки, полевой транзистор работает в области отсечки и не пропускает ток через устройство. Следовательно, полевой транзистор находится в полностью выключенном состоянии. Полевой транзистор можно использовать в качестве переключателя в различных конфигурациях, некоторые из них приведены ниже.

НАВЕРХ

Полевой транзистор, используемый в качестве шунтирующего переключателя

Давайте посмотрим на рисунок ниже, где полевой транзистор подключен параллельно нагрузке и действует как аналоговый переключатель.

• Когда VGS равен нулю, полевой транзистор включается, работая в области насыщения, а его сопротивление очень мало, около 100 Ом. Выходное напряжение на полевом транзисторе равно V _OUT = V _in * {R _DS / (R _D  + R _{DS (ON)} )}. Так как сопротивление R _D очень велико, выходное напряжение приблизительно считается равным нулю.
• Когда мы подаем отрицательное напряжение, равное напряжению отсечки на затворе, полевой транзистор работает в области отсечки и действует как высокоомное устройство, а выходное напряжение равно входному напряжению.

Полевой транзистор в качестве схемы параллельного переключателя

  НАВЕРХ

Полевой транзистор используется в качестве последовательного переключателя

На рисунке ниже показана другая конфигурация схемы переключателя на полевых транзисторах. В этой схеме полевой транзистор действует как последовательный переключатель. Он действует как замкнутый переключатель, если управляющее напряжение равно нулю, и открытый переключатель, если управляющее напряжение отрицательное. Когда FET включен, входной сигнал появится на выходе, а когда он выключен, выход равен нулю.

Полевой транзистор в виде последовательного переключателя

НАВЕРХ

Пример N-канального JFET в качестве переключателя

На рисунке ниже показано, как N-канальный JFET используется для переключения светодиода. Светодиод подключается между клеммой питания и источника через резистор. Здесь резистор используется для ограничения тока через светодиод. Вывод затвора транзистора подключен к отрицательному источнику питания.

• Из приведенного выше обсуждения следует, что нулевое напряжение на клемме затвора приводит к протеканию тока через светодиод, поскольку полевой транзистор находится в режиме насыщения. Поэтому светодиод загорается.
• При достаточном отрицательном напряжении на клемме затвора (около 3-4 вольт) полевой транзистор JFET переходит в режим отсечки, поэтому светодиод гаснет.

N-канальный JFET для переключения схемы светодиодов

  НАВЕРХ

P-канальный JFET в качестве переключателя

До сих пор мы обсуждали N-канальный JFET в качестве переключателя. Другой тип JFET — это P-канальный JFET, и работа этого полевого транзистора также аналогична N-типу, но разница заключается только в положительном напряжении на клемме затвора.

• Когда напряжение затвор-исток равно нулю, полевой транзистор работает в области насыщения, поэтому полевой транзистор включается, что, в свою очередь, вызывает протекание тока от стока к истоку.
• И положительное напряжение между затвором и истоком приводит к отключению тока через полевой транзистор. Таким образом, полевой транзистор находится в состоянии разомкнутой цепи.

P-канальный JFET в качестве схемы переключателя

В НАЧАЛО

Пример P-канального JFET в качестве переключателя

Подобно светодиоду, управляемому N-канальным JFET, схема P-канального переключаемого JFET приведена ниже. Разница между двумя схемами заключается в источнике питания на клемме затвора.

• Состояние включения остается одинаковым для обеих цепей, т.е. нулевое напряжение на клемме затвора заставляет светодиод светиться, когда полевой транзистор активен.
• Для переключения полевого транзистора в режим отсечки достаточное положительное напряжение (в данном случае от 3 до 4 вольт) останавливает ток в цепи. Поэтому светодиод выключается. Мы также можем использовать полевые транзисторы для включения цепей реле, драйверов двигателей и других электронных схем управления.

P-Channel JFET для переключения светодиода

  НАВЕРХ

МОП-транзистор в качестве переключателя

Другой тип полевого транзистора — это МОП-транзистор, который также является устройством, управляемым напряжением. Уровень V _GS , при котором ток стока увеличивается или начинает протекать, называется пороговым напряжением V _T . Следовательно, если мы увеличим V _GS , ток стока также увеличится. И если мы увеличим V _GS , оставив V _DS постоянным, то ток стока достигнет уровня насыщения, как в случае JFET.

MOSFET работает в режиме отсечки, когда V _GS ниже порогового уровня. Следовательно, в этом режиме ток стока не течет. Таким образом, действует как переключатель OPEN

. Для лучшего понимания рассмотрите рисунок ниже, где N-канальный полевой МОП-транзистор переключается для разных напряжений на клеммах затвора.

• На приведенном ниже рисунке клемма затвора MOSFET подключена к V _DD , так что напряжение на клемме затвора максимально. Это делает сопротивление канала настолько малым, что позволяет протекать максимальному току стока. Это называется режимом насыщения, и в этом режиме полевой МОП-транзистор полностью включается как замкнутый переключатель. Для полевого МОП-транзистора с P-каналом для включения потенциал затвора должен быть более отрицательным по отношению к истоку.
• В области отсечки приложенное V _GS меньше порогового уровня напряжения, поэтому ток стока равен нулю. Следовательно, МОП-транзистор находится в выключенном состоянии, как разомкнутый переключатель, как показано на рисунке.

MOSFET в качестве схемы переключателя

 

НАВЕРХ

Пример MOSFET в качестве переключателя

Рассмотрим схему MOSFET, которая управляет светодиодом, как показано на рисунке. Здесь N-канальный полевой МОП-транзистор используется для переключения светодиода с помощью простого переключателя.

• Когда переключатель находится в разомкнутом состоянии, напряжение на затворе равно нулю относительно земли или истока. Таким образом, МОП-транзистор остается выключенным, и светодиод не светится.
• Когда переключатель нажат, чтобы закрыть его, соответствующее положительное напряжение (в данном случае 5 В) подается на клемму затвора. Итак, МОП-транзистор включается, и светодиод начинает светиться.
• Здесь это простая резистивная нагрузка, но в случае любых индуктивных нагрузок, таких как двигатели, реле, мы должны использовать обратные диоды на нагрузке для защиты МОП-транзистора от наведенных напряжений.

МОП-транзистор для переключения светодиодов

В большинстве схем в качестве переключателя используется МОП-транзистор по сравнению с JFET из-за его преимуществ. Мы также можем использовать схему переключения (для работы нагрузки на определенной частоте переключения) для JFET и MOSFET для получения сигналов ШИМ в зависимости от требований нагрузки.

Мы надеемся, что эта общая информация помогла вам понять, как мы можем переключать нагрузки с помощью полевых транзисторов с условиями переключения и необходимыми цифрами. Вы также можете написать нам о любых сомнениях или технической помощи по этой концепции в разделе комментариев ниже.

НАВЕРХ

НАЗАД – ТРАНЗИСТОР В КАЧЕСТВЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ

СЛЕДУЮЩИЙ – ТРАНЗИСТОР ДАРЛИНГТОНА

Полевые транзисторы

0

Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно тому типу, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий. Они имеют 3 терминала, как показано ниже. Двумя общими типами полевых транзисторов являются МОП-транзисторы с каналом N и каналом P. Здесь мы будем обсуждать только канал N. На самом деле, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый режим расширения N-канальный полевой МОП-транзистор (металлооксид-полупроводниковый полевой транзистор). Его условное обозначение приведено ниже. Стрелки показывают, как НОЖКИ реального транзистора соответствуют условному обозначению.

Current Control:
Терминал управления называется воротами. Помните, что через базовый вывод биполярного транзистора проходит небольшой ток. Затвор на полевом транзисторе практически не пропускает ток при управлении постоянным током. При управлении затвором высокочастотными импульсами постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое) варьируется от одного полевого транзистора к другому, но составляет примерно 3,3 вольта по отношению к источнику.

Когда полевые транзисторы используются в секции аудиовыхода усилителя, Vgs (напряжение от затвора к истоку) редко превышает 3,5 вольта. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора выше примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

МОП-транзисторы широко используются, потому что ими легче управлять в сильноточных приложениях (например, в импульсных источниках питания, используемых в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор/эмиттер должна протекать через базовый переход. В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора/эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут управляться очень небольшим током (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из цепи привода, это ток, который течет из-за емкости. Как вы уже знаете, при подаче постоянного тока на конденсатор сначала возникает скачок, а затем ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора управляется высокочастотным сигналом, схема возбуждения по существу видит только конденсатор небольшой емкости. Для низких и средних частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или при работе нескольких полевых транзисторов схема управления должна обеспечивать больший ток.

Примечание:
Затвор полевого МОП-транзистора имеет некоторую емкость, что означает, что он будет удерживать заряд (сохранять напряжение). Если напряжение затвора не разряжено, полевой транзистор будет продолжать проводить ток. Это не означает, что вы можете зарядить его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать работать бесконечно, но он будет продолжать работать до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения. Вы можете убедиться, что он выключается, если подключите подтягивающий резистор между затвором и истоком.

Сильноточные клеммы:
«Управляемые» терминалы называются истоком и стоком. Это выводы, отвечающие за проведение тока через транзистор.

Корпуса транзисторов:
МОП-транзисторы используют те же «корпуса», что и биполярные транзисторы. Наиболее распространенным в автомобильных стереоусилителях в настоящее время является корпус ТО-220 (показан выше).

---

Транзистор в цепи:
На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с тремя разными напряжениями затвора. Вы должны увидеть, что на резисторе нет напряжения, когда напряжение затвора составляет около 2,5 вольт. Это означает, что ток не течет, потому что транзистор не открыт. Когда транзистор частично открыт, на обоих компонентах возникает падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение затвора около 4,5 вольт), на резистор подается полное напряжение питания, и падение напряжения на транзисторе практически отсутствует. Это означает, что оба вывода (истока и стока) транзистора имеют практически одинаковое напряжение. Когда транзистор полностью открыт, нижний вывод резистора фактически соединен с землей.

Напряжение на затвор	Напряжение на резисторе	Напряжение на транзисторе
2,5 В	нет напряжения	примерно 12 вольт
3,5 В	менее 12 вольт	менее 12 вольт
4,5 В	примерно 12 вольт	практически нет напряжения

---

—— Критически важный ——

Adobe считает, что Flash-контент на веб-страницах слишком опасен для обычного пользователя Интернета. Практически для всех современных браузеров поддержка Flash была прекращена 1 января 2021 года. Это означает, что эти браузеры не будут отображать какие-либо интерактивные Flash-демонстрации/калькуляторы/графику на этом (или любом другом) сайте.

Самое простое (не самое лучшее) решение на данный момент — загрузить расширение Ruffle для вашего браузера. Он отобразит файлы Flash там, где они были ранее заблокированы. В некоторых браузерах вам придется нажать на большую кнопку «воспроизведение», чтобы сделать апплеты/графику Flash видимыми.

Альтернативой Ruffle для просмотра Flash-контента является использование альтернативного браузера, такого как старая портативная версия Chrome (Chromium), старая версия Safari для Windows или один из нескольких других браузеров. Дополнительную информацию о браузерах с поддержкой Flash можно найти ЗДЕСЬ. Это не так просто, как Ruffle, но любой, даже немного знакомый с панелью управления Windows и установкой программного обеспечения, может использовать Flash так, как это было задумано.

В следующей демонстрации вы можете увидеть, что полевой транзистор подключен к лампе. Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью гаснет. Через лампу или полевой транзистор ток не течет. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (обозначается восходящей желтой линией и точкой, где кривая зарядки конденсатора пересекается с белой линией, идущей слева направо). Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначается падающей зеленой линией и точкой пересечения зеленой кривой с белой линией).По мере приближения напряжения на затворе к пороговому напряжению (~3,5 В) напряжение на лампе начинает падать. увеличивается.Чем больше оно увеличивается, тем ярче становится лампа.После того, как напряжение на затворе достигает примерно 4 вольт, вы можете видеть, что лампочка полностью горит (на ее клеммах полные 12 вольт).Напряжения практически нет через полевой транзистор. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен ниже 3 В и полностью включен после 4 В. Любое напряжение затвора ниже 3 В практически не влияет на полевой транзистор. Выше 4 В эффект небольшой.

---

Конструктивные параметры

Напряжение затвора:
Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа MOSFET максимальное безопасное напряжение затвора составляет ± 20 вольт. Если на затвор подается более 20 вольт (относительно истока), это разрушит транзистор. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение пройдет через изолятор, отделяющий затвор от части сток/исток полевого транзистора.

Ток:
Как и в случае с биполярными транзисторами, каждый полевой транзистор рассчитан на безопасное пропускание определенного количества тока. Если температура полевого транзистора выше 25°С (приблизительно 77° по Фаренгейту), «безопасная» токопроводящая способность транзистора будет снижена. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться по мере повышения температуры.