Схемы на полевых транзисторах. Практическое применение полевых транзисторов: схемы и расчеты — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как рассчитать режимы работы полевых транзисторов. Какие схемы включения полевых транзисторов существуют. Каковы особенности применения полевых транзисторов в схемотехнике. Как подобрать номиналы элементов для схем на полевых транзисторах.

Содержание

Основные характеристики и параметры полевых транзисторов

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении проводимостью канала с помощью электрического поля. Основные электроды полевого транзистора:

Исток (S) — электрод, из которого в канал входят носители заряда
Сток (D) — электрод, через который из канала выходят носители заряда
Затвор (G) — управляющий электрод, регулирующий проводимость канала

Ключевые параметры полевых транзисторов:

Крутизна характеристики S = ΔIc/ΔUзи
Напряжение отсечки Uотс
Ток стока насыщения Icн
Максимальное напряжение сток-исток Uси max
Максимальный ток стока Ic max

Схемы включения полевых транзисторов

Существует три основные схемы включения полевых транзисторов:

1. Схема с общим истоком (ОИ)

Это наиболее распространенная схема, обеспечивающая усиление по напряжению и току. Коэффициент усиления по напряжению рассчитывается как:

Ku = S * Rc

где S — крутизна характеристики транзистора, Rc — сопротивление в цепи стока.

2. Схема с общим стоком (ОС)

Также называется истоковым повторителем. Обеспечивает высокое входное и низкое выходное сопротивление. Коэффициент передачи по напряжению близок к единице:

Ku ≈ 1 / (1 + 1 / (S * Rи))

где Rи — сопротивление в цепи истока.

3. Схема с общим затвором (ОЗ)

Имеет низкое входное и высокое выходное сопротивление. Используется редко. Коэффициент усиления по напряжению:

Ku = S * Rc * Rи / (Rи + 1/S)

Расчет режима работы полевого транзистора

Рассмотрим пример расчета режима работы полевого транзистора в схеме с общим истоком:

Выбираем ток стока Iс (например, 0,5 мА)

По графику зависимости тока стока от напряжения затвор-исток определяем Uзи (≈ -0,23 В)
Рассчитываем сопротивление в цепи истока: Rи = Uзи / Iс = 0,23 В / 0,5 мА = 460 Ом
Выбираем напряжение на стоке Uс (например, 6 В при напряжении питания 12 В)
Рассчитываем сопротивление в цепи стока: Rс = (Eп — Uс) / Iс = (12 В — 6 В) / 0,5 мА = 12 кОм

Применение полевых транзисторов в схемотехнике

Полевые транзисторы широко применяются в различных электронных схемах благодаря своим уникальным свойствам:

Усилители с высоким входным сопротивлением
Ключевые схемы
Генераторы
Стабилизаторы напряжения и тока
Аналоговые ключи и коммутаторы

Преимущества полевых транзисторов перед биполярными

Полевые транзисторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биполярными:

Очень высокое входное сопротивление (до 10^15 Ом)

Низкий уровень шумов
Высокая радиационная стойкость
Отсутствие эффекта накопления заряда
Возможность работы как с положительным, так и с отрицательным напряжением на затворе

Особенности применения полевых МОП-транзисторов

МОП-транзисторы (MOSFET) имеют ряд особенностей:

Сверхвысокое входное сопротивление (до 10^15 Ом)
Низкое сопротивление канала в открытом состоянии
Возможность управления как положительным, так и отрицательным напряжением на затворе
Высокое быстродействие
Чувствительность к статическому электричеству

При работе с МОП-транзисторами необходимо соблюдать меры защиты от статического электричества.

Практические схемы на полевых транзисторах

Рассмотрим несколько практических схем на полевых транзисторах:

1. Усилитель с общим истоком

Типичная схема усилителя на полевом транзисторе с общим истоком:

«`text +Vcc | R2 | ——+—— | | | R1 | R3 | | | in—+—-+—-+—out | G| | | | | R4 | C2 | S|D | | | | +—-+—-+ | GND R1 — входное сопротивление R2 — нагрузочное сопротивление стока R3 — резистор обратной связи R4 — резистор автоматического смещения C1, C2 — разделительные конденсаторы «`

Коэффициент усиления такого каскада:

Ku = -S * R2 || R3

где S — крутизна транзистора, R2||R3 — параллельное соединение R2 и R3.

2. Истоковый повторитель

Схема истокового повторителя (схема с общим стоком):

«`text +Vcc | | —-+—- | | | R1 G| R2 | | | in—+—+—+—out | S|D | | | | R3 | C1 | | | +—+—+ | GND R1 — входное сопротивление R2 — резистор смещения R3 — резистор автоматического смещения C1 — разделительный конденсатор «`

Коэффициент передачи напряжения близок к единице:

Ku ≈ 1 / (1 + 1 / (S * R3))

3. Ключевая схема на МОП-транзисторе

МОП-транзисторы часто используются в ключевых схемах благодаря низкому сопротивлению канала в открытом состоянии:

«`text +Vcc | | —-+—- | | | R1 G| LOAD | | | in-+—+ S|D | | | R2 | | | | | +—+—+ | GND R1 — резистор подтяжки затвора R2 — защитный резистор затвора LOAD — коммутируемая нагрузка «`

В этой схеме МОП-транзистор работает как электронный ключ, коммутируя нагрузку. При подаче высокого уровня на вход транзистор открывается, пропуская ток через нагрузку.

Выбор полевого транзистора для схемы

При выборе полевого транзистора для конкретной схемы необходимо учитывать следующие параметры:

Максимальное напряжение сток-исток
Максимальный ток стока
Напряжение отсечки
Крутизна характеристики
Входная и выходная емкость
Тепловые характеристики
Корпус и стоимость

Важно выбирать транзистор с запасом по напряжению и току, учитывая возможные перегрузки в схеме.

Защита полевых транзисторов в схемах

Полевые транзисторы, особенно МОП-структуры, чувствительны к статическому электричеству и перенапряжениям. Для их защиты применяются следующие меры:

Защитные диоды на затворе
Ограничительные резисторы в цепи затвора
Защитные стабилитроны между затвором и истоком
Соблюдение правил работы с устройствами, чувствительными к статическому электричеству

Пример схемы защиты затвора МОП-транзистора:

«`text in —[R1]—+—[D1]—+ | | | G S | +—||—+ | || | [D2] || [D3] | || | | | | | | | GND | GND | To MOSFET Gate R1 — ограничительный резистор (100-1000 Ом) D1, D2 — защитные диоды D3 — защитный стабилитрон «`

Эта схема защищает затвор МОП-транзистора от перенапряжений и разрядов статического электричества.

Полевой транзистор — расчёт усилительных каскадов

Как просто рассчитать режимы работы и номиналы элементов схем на полевых транзисторах в различных схемах включения: c общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС, он же истоковый повторитель) и общим затвором (ОЗ).

Полевой (униполярный) транзистор – это полупроводниковый прибор, принцип действия которого основан на управлении сопротивлением токопроводящего канала (сток–исток) посредством электрического поля, создаваемого приложенным к управляющему электроду (затвору) напряжением.

Исток (source) – это электрод, из которого в канал входят (истекают) носители заряда, т. е. источник носителей тока;
Сток (drain) – это электрод, через который из канала выходят (стекают) носители заряда;
Затвор (gate) – это управляющий электрод, который регулирует поперечное сечения канала и, соответственно, ток, протекающий через канал.

Управление происходит посредством изменения напряжения между затвором и истоком (Uзи, Vgs).

Несмотря на крайне богатую терминологию различных типов полевых транзисторов, в большинстве практически встречающихся случаев мы имеем дело: либо с полевыми транзисторами со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы), либо с полевыми МОП-транзисторами с изолированным затвором (они же MOSFET-ы в основном обогащённого типа), полное название которых звучит, как Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors.
И тот и другой типы полевиков могут быть любого знака полярности, т. е. как n-канальными, так и р-канальными.

Независимо от типов полевых транзисторов, они имеют схожие графики зависимости выходного тока от напряжения затвор‑исток, измеряемые при фиксированном значении напряжения стока.

Пример подобных вольт-амперных характеристик приведён на рисунке ниже.

Рис.1 ВАХ обеднённых JFET (1) и обогащённых MOSFET (2) полевых транзисторов n-типа.
Для p-канальных транзисторов — полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды, а также направление тока стока противоположны.

Как можно увидеть, вольт-амперные характеристики обеднённых (1) и обогащённых (2) и полевых транзисторов отличаются только сдвигом напряжения отсечки затвор-исток. При этом n — канальный МОП‑транзистор обогащённого типа не проводит ток до тех пор, пока напряжение Uзи не достигнет некоторого положительного уровня Uотс, в то время как ток стока транзистора обеднённого типа при напряжении Uзи = 0 будет близок к максимальному.

Полевые транзисторы с р‑n ‑переходом – это всегда приборы обеднённого типа и смещение затвора относительно истока должно находиться в отрицательной области (для n — канального ПТ), а если и заходить в положительную, то не более чем на +0,5В во избежание открывания диодного перехода затвор‑канал.

Давайте рассмотрим, как можно рассчитать режимы работы полевика по постоянному току. Для примера возьмём распространённый транзистор 2SK117, широко используемый в каскадах усиления звукового диапазона частот. Приведём две его статических характеристики из datasheet-а и до кучи схему усилительного каскада с общим истоком.

Рис.2 Статическая характеристика транзистора 2SK117 и схема каскада с общим истоком

Что нам советуют делать при расчёте усилительных каскадов на ПТ практически все умные книжки?
Построить на семействе выходных вольт-амперных характеристик транзистора динамическую линию, также называемую нагрузочной прямой. Далее по пересечению этой нагрузочной линии с одним и графиков семейства выходных характеристик найти исходную рабочую точку, которая определяет ток стока и напряжение Uси в режиме покоя. И только после этого переходить к стоково-затворной характеристике ПТ, чтобы определить необходимую величину Uзи.

Конечно, ни один опытный схемотехник этого делать не будет! А делать он будет следующее:

1. Для начала надо определиться с током покоя транзистора Ic. Критериев выбора величины этого тока может быть множество, как с точки зрения достижений необходимой нагрузочной способности, так и других факторов, таких как: быстродействие, шумовые характеристики, энергопотребление, стабильность параметров и т. д. и т. п.
Поскольку 2SK117 является малошумящим полупроводником, а параметр шумовых характеристик в datasheet-е нормируется при токе стока Id=0.5 mA, то и мы для расчёта выберем этот ток равным

I_с = 0,5мА .

2. Мысленно проводим на графике зависимости тока стока от напряжения затвор-исток красную линию (Рис.2 слева), пересекающую Id = 0.5 mA. Величина напряжения затвор-исток, исходя из графика, получается U_зи ≈ -0,23В .

3. Поскольку крутизна передаточной характеристики полевого транзистора S = ΔI_c/ΔU_зи является величиной непостоянной, и существенно зависящей от тока покоя стока, то в datasheet-ах на современные транзисторы она либо отсутствует, либо не имеет большого практического смысла.
Давайте оценим её значение по всё тому же графику. Изменение напряжения Uзи в интервале — (0,3 …0,1) В приводит к росту стока 0,25…1,3 мА, что даёт нам ориентировочное значение параметра крутизны при заданном токе

S ≈ (1,3-0,25)/(0,3-0,1) = 5,25 мА/В.

4. Всё. Теперь можно вспомнить закон Ома и переходить к расчётам.
R_и = U_зи/I_c = 0,23/0,5 = 0,46 кОм.

Падение напряжения на резисторе Rc имеет смысл выбрать таким, чтобы напряжение стока в режиме покоя находилось в центре линейной области выходной характеристики транзистора. Это требование выполняется при условии U_c = (E_п + U_и)/2.
Если, для примера, напряжение питания выбрать равным 12В, то U_c = (12 + 0,23)/2 = 6,1 В, а
R_c = (E_п — U_с)/I_с = (12 — 6,1)/0,5 ≈ 12 кОм .

Расчёт по постоянному току окончен. Для того, чтобы рассчитать коэффициент передачи каскада ОИ с резистором в истоке (при отсутствии шунтирующего конденсатора), необходимо воспользоваться следующей редкой формулой:
К_u = R_c*S/(1 +R_и*S) .
Подставив все цифры, получим значение К_u = 18,2 .

А теперь давайте проверим полученные расчёты в симуляторе.

Глядя на показания измерительных приборов, убеждаемся, что Uc (5,45В) и Ic (0,545мА) находятся в приемлемом диапазоне по отношению к расчётным значениям.

На диаграммах осциллографа синим цветом указана входная осциллограмма сигнала, имеющего амплитуду 100 мВ, а красным — выходного с амплитудой около 1,8 В, что выдаёт нам в сухом остатке Кu = 18, что так же полностью совпадает с расчётной величиной.

Рис.3

Для увеличения усиления каскада с общим истоком (Рис. 2 справа) резистор Rи можно зашунтировать конденсатором Си и резистором Rи1. Тогда в формулу для расчёта Ku вместо значения Rи следует подставлять величину, равную Rи ll Rи1.
Если резистор Rи1 имеет нулевое значение, то формула для расчёта коэффициента усиления каскада приобретает совсем простой вид: К_u = R_c*S .
А ёмкость шунтирующего конденсатора Си (исходя из минимальной (нижней) усиливаемой частоты) можно рассчитать по формуле:
С_и(МкФ) > 1600/[F_мин(Гц)*R_и(кОм)] .

Точно таким же образом рассчитываются режимы по постоянному току и номиналы резисторов для схем с общим затвором (Рис.4б) и с общим стоком, в миру — истоковым повторителем (Рис.4в).

Рис.4 Схемы каскадов на полевых транзисторах ОИ, ОЗ, ОС и ОС со смещением

В случае использования ПТ с низким значением модуля Uотс — напряжение на истоке транзистора в каскаде с ОС (истоковый повторитель) может оказаться слишком мало для достижения необходимых динамических характеристик. В таком случае на затвор транзистора подают напряжение смещения Eсм, а номинал резистора Rи рассчитывают по формуле R_и = (Е_см — U_зи)/I_c .

Все расчёты, проведённые выше, были проделаны для наиболее распространённых в маломощных аналоговых цепях полевых транзисторов со встроенным p-n переходом обеднённого типа (JFET-транзисторы).
На самом же деле, все приведённые формулы и принципы расчёта справедливы и по отношению к МОП-транзисторам с изолированным затвором обогащённого типа (MOSFET-ы). Однако если всё ещё остались какие-либо вопросы, то на следующей странице проведём подобные манипуляции и для них.

5.4.2. Схема с общим затвором

Как правило, для полевых транзисторов схемы с общим затвором почти не применяются, так как при этом включении не используется свойство высокоомности цепи затвор-исток транзистора.

5.4.3. Схема с общим стоком, истоковый повторитель

Схема с общим стоком обладает значительно большим входным сопротивлением, чем схема с общим истоком. В большинстве случаев, однако, это не имеет особого значения, поскольку оно достаточно велико и для схем с общим истоком. Преимуществом такой схемы является то, что она существенно уменьшает входную емкость каскада. В отличие от эмиттерного повторителя выходное сопротивление истокового повторителя не зависит от внутреннего сопротивления Rg источника сигнала.

Рис 5.8 Истоковый повторитель

Типовые значения коэффициента усиления и выходного сопротивления истокового повторителя можно проиллюстрировать числовым примером. При крутизне характеристики транзистора 5 мА/В и сопротивлении в цепи истока Rs = 1 кОм

Из примера следует, что истоковый повторитель не позволяет достичь таких низких величин выходных сопротивлений, как эмиттерный повторитель. Причина этого состоит в том, что полевые транзисторы имеют меньшую крутизну, чем биполярные. Поэтому часто полевой и биполярный транзисторы включают совместно по так называемой схеме Дарлингтона изображенной на рис. 5.9.

Рис 5.9 Схема Дарлингтона на полевом и биполярном транзисторах.

5.5. Полевой транзистор как стабилизатор тока

Рис 5.10 Полевой транзистор в качестве источника стабильного тока

Схема, представленная на рис. 5.10, работает аналогично транзисторному стабилизатору тока, изображенному рис. 4.25. У нормально открытого полевого транзистора ток стока течет даже тогда, когда вспомогательное напряжение U_H равно нулю. Этот режим работы транстора представляет особый интерес, так как схема стабилизатора тока может бы выполнена в виде двухполюсника, как показано на рис. 5.11.

Рис 5.11 Стабилизатор тока на полевом транзисторе, выполненный по схеме без вспомогательного напряжения.

Благодаря этой особенности схема может быть включена вместо любого омического сопротивления. Чтобы найти сопротивление обратной связи Rs, следует определить величину U_GS для заданного тока стабилизации I передаточной характеристике транзистора. В соответствии с формулой (5.10) получаем

Для определения внутреннего сопротивления стабилизатора тока можно использовать выражение (4.29) для биполярного транзистора, положив  и r_BE стремящимися к бесконечности и заменив остальные параметры согласно таблице соответствия (5.6):

На числовом примере можно проиллюстрировать порядок получаемых величин. Для полевого транзистора, имеющего при токе стока I_D = 1 мА следующие параметры: r_DS = 80 кОм и S = 2 мА/В, получим при Rs = 2 кОм внутреннее сопротивление источника тока r_i = 400 кОм Эта величина заметно ниже, чем у аналогичной схемы стабилизатора тока на биполярном транзисторе.

Сравнив выражения (5.12) и (4.29), можно заметить принципиальное различие между стабилизаторами тока на полевом и биполярном транзисторах, а именно: если беспредельно увеличивать сопротивление R_E или соответственно R_S, то внутреннее сопротивление стабилизатора тока, выполненного на полевом транзисторе, будет стремиться к бесконечности, а на биполярном -к предельному значению, равному r_CE. Типовые зависимости r_i от R_E для биполярного или от Rs для полевого транзисторов изображены на рис. 5.12.

Рис 5.12 Сравнение внутренних сопротивлений стабилизаторов тока, выполненных на полевом и биполярном транзисторах. Представлены типовые зависимости внутреннего сопротивления от параметров схемы при токе стабилизации, равном 1 мА

Следует отметить, что при больших значениях сопротивления обратной связи лучшие характеристики достигаются для стабилизаторов на полевых транзисторах.

Для улучшения параметров стабилизаторов тока сопротивление обратной связи стабилизатора можно выполнить в виде отдельного стабилизатора тока. Если для этого использовать стабилизатор тока на биполярном транзисторе, как изображено на рис 5.13, то, согласно числовому примеру, рассмотренному в разд. 4.5.1, при токе стабилизации 1 мА дифференциальное сопротивление такого стабилизатора Гу, применяемого как сопротивление обратной связи, составит приблизительно 7 МОм. Внутреннее сопротивление стабилизатора с подключенным верхним в схеме полевым транзистором составит около 1,1 ГОм.

Рис 5.13 Каскадирование стабилизаторов тока.

FET — учебник по проектированию схем » Electronics Notes

Полевые транзисторы

широко используются как в дискретных, так и в интегральных схемах, где они обеспечивают усиление по напряжению и высокое входное сопротивление.

FET, схемотехника на полевых транзисторах Включает:
Основы схемотехники на полевых транзисторах Конфигурации цепи Общий источник Общий сток / исток повторителя Общие ворота

Полевые транзисторы используются в схемотехнике, поскольку они способны обеспечить очень высокие уровни входного импеданса наряду со значительными уровнями усиления по напряжению.

В отличие от биполярного транзистора, который управляется током, полевой транзистор управляется напряжением. Это делает способ проектирования схем на полевых транзисторах довольно отличным от способа проектирования схем на биполярных транзисторах.

Тем не менее, схемы с коэффициентом усиления по току и напряжению все еще могут быть разработаны, и используются аналогичные форматы схем.

Основы схемы FET

При рассмотрении вопроса об использовании полевого транзистора необходимо учитывать технологию полевого транзистора, и тип полевого транзистора будет наиболее подходящим.

Примечание по технологии полевых транзисторов:

Полевой транзистор (FET) представляет собой трехвыводное устройство, обеспечивающее усиление по напряжению. Имея высокий входной импеданс, электрическое поле вблизи входной клеммы, называемой затвором, изменяет ток, протекающий в так называемом канале между клеммами, называемом истоком и стоком.

Подробнее о полевом транзисторе и принципах его работы

Полевой транзистор имеет три электрода:

Источник: Источник — это электрод на полевом транзисторе, через который в канал поступают основные носители, т. е. он выступает в качестве источника носителей для устройства. Ток, поступающий в канал через источник, обозначается IS.
Сток: Сток — это полевой электрод, через который основные носители покидают канал, т. е. они сливаются из канала. Условный ток, поступающий в канал через сток, обозначается буквами ID. Также напряжение сток-исток часто обозначается буквами VDS 9.0039
Затвор: Затвор — это терминал, который управляет проводимостью канала, поэтому уровень напряжения на затворе управляет током, протекающим на выходе устройства.

Обозначение схемы соединения FET

Расчетные параметры схемы FET

Приступая к проектированию схемы на полевых транзисторах, необходимо определить основные требования к схеме. Они будут определять многие решения, касающиеся типа используемой топологии схемы, а также типа используемого полевого транзистора.

В требованиях к конструкции транзисторной схемы может быть указан ряд параметров:

Коэффициент усиления по напряжению: Коэффициент усиления по напряжению часто является ключевым требованием. Это напряжение выходного сигнала, деленное на напряжение входного сигнала.
Коэффициент усиления по току: Это коэффициент усиления полевого транзистора по току. Может возникнуть необходимость подать в нагрузку ток высокого уровня.
Входной импеданс: Это импеданс, который будет видеть предыдущий каскад, когда он подает сигнал на рассматриваемую схему полевого транзистора. Полевые транзисторы по своей природе имеют высокое входное сопротивление затвора, и поэтому полевые транзисторы часто используются там, где это имеет первостепенное значение.
Выходное сопротивление: Выходное сопротивление также важно. Если схема FET управляет цепью с низким сопротивлением, то ее выход должен иметь низкое сопротивление, иначе в выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения.
Частотная характеристика: Частотная характеристика — еще один важный фактор, влияющий на конструкцию схемы полевого транзистора. Конструкции низкочастотных или звуковых транзисторных схем могут отличаться от тех, которые используются для радиочастотных приложений. Кроме того, на выбор номиналов полевого транзистора и конденсатора в схеме сильно влияет требуемая частотная характеристика.
Напряжение и ток питания: Во многих схемах напряжение питания определяется тем, что доступно. Также может быть ограничен ток, особенно если готовая схема полевого транзистора должна питаться от батареи.

Типы полевых транзисторов для схемотехники

Поскольку существует несколько различных типов полевых транзисторов, которые можно использовать, необходимо определить по крайней мере некоторые из полевых транзисторов, которые можно использовать в процессе проектирования схемы.

В приведенной ниже таблице указаны некоторые из различных типов и характеристик, с которыми можно столкнуться.

Полевые транзисторы для использования в схемотехнике
Характеристика	Детали
N-канальный	N-канальный полевой транзистор имеет канал, изготовленный из полупроводника N-типа, в котором основными носителями являются электроны.
P-канал	Полевой транзистор с каналом P имеет канал, изготовленный из полупроводника P-типа, в котором основными носителями являются дырки.
J-FET	J-FET или полевой транзистор с переходом представляет собой форму полевого транзистора, в которой затвор формируется с использованием диодного перехода на канале. Изоляция поддерживается за счет того, что диодный переход остается смещенным в обратном направлении при работе в цепи. Ключевым требованием к конструкции схемы полевого транзистора является обеспечение того, чтобы переход оставался смещенным в обратном направлении для удовлетворительной работы.
МОП-транзистор	Этот тип полевого транзистора основан на оксиде металла между затвором и каналом. Он предлагает очень высокое входное сопротивление.
МОП-транзистор с двумя затворами	Как следует из названия, эта форма МОП-транзистора имеет два затвора. В схемотехнике на полевых транзисторах это дает дополнительные возможности.
Расширенный режим	Полевые транзисторы режима расширения выключены при нулевом напряжении затвор-исток. Они включаются подтягиванием напряжения затвора в направлении напряжения стока, т. е. к шине питания, положительной для N-канальных устройств и отрицательной для P-канальных. Другими словами, при приближении напряжения затвора к напряжению стока количество несущих в активном слое канала увеличивается.
Режим истощения	В полевом МОП-транзисторе, работающем в режиме истощения, устройство нормально включено при нулевом напряжении затвор-исток. Любое напряжение затвора в направлении напряжения стока будет иметь тенденцию истощать активную площадь канала носителей и уменьшать протекающий ток.

При проектировании схемы полевого транзистора сначала необходимо выбрать требуемый тип полевого транзистора. Прежде чем можно будет приступить к проектированию схемы, необходимо определить факторы, включая базовый тип полевого транзистора, включая то, является ли он переходным полевым транзистором, полевым МОП-транзистором или другим типом, а также тип режима и другие факторы.

Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы схемы полевых транзисторов Символы цепи
Вернуться в меню «Конструкция схем». . .

Простые схемы на полевых транзисторах, которые вы можете собрать и использовать

В посте подробно описано множество интересных и простых в сборке схем на полевых транзисторах и полевых МОП-транзисторах, которые можно использовать в повседневной жизни во многих полезных приложениях.

Мощный N-канальный полевой МОП-транзистор IRF511 — один из самых дешевых компонентов с шестигранным полевым транзистором. Он имеет максимальное сопротивление в открытом состоянии 0,6 Ом, входную/выходную емкость менее 150 пикофарад (пФ), управляющее напряжение затвора от 2 до 4 В, максимальное напряжение сток-исток 60 В и максимальный ток стока 3 А.

Кроме того, устройство имеет максимальную рассеиваемую мощность 20 Вт и компактно упаковано.

Этот полупроводниковый полевой транзистор может применяться в различных схемах, включая инверторы, прерыватели, импульсные источники питания, регуляторы скорости двигателя, усилители звука и высокоэнергетические импульсные схемы.

Усилитель класса A

На первом рисунке выше показан IRF511 в схеме аудиоусилителя класса A. Когда применяется нулевое смещение затвора, Q1 ведет себя так, как будто он находится в выключенном состоянии, поэтому через нагрузочный резистор R2 ток не течет.

Напряжение на Q1 и нагрузочном резисторе должно быть одинаковым для работы класса A.

Потенциометр на 100 кОм (R3) и постоянный резистор на 1 МОм (R1) образуют стандартную регулируемую цепь смещения затвора.

Используйте вольтметр между стоком Q1 и заземлением цепи и отрегулируйте резистор R3. Вы увидите, что счетчик показывает 50% подаваемой мощности.

Вы можете выбрать любое значение для R2, пока максимальный ток и номинальная мощность полевого транзистора не пересекаются.

При тестировании этой схемы рекомендуется выбрать любое значение от 22 до 100 Ом. Не забудьте включить радиатор при использовании больших токов.

Контроллер реле

Другая схема, показанная на рисунке выше, имеет силовой полевой транзистор (Q1), управляющий реле. Q1 работает как разомкнутый переключатель, когда применяется нулевое смещение затвора.

Однако, если на входные участки схемы подается постоянное напряжение более 5 В, Q1 будет включен. Это действие замыкает цепь реле, что приводит к срабатыванию катушки реле.

Вам потребуется менее 10 мкА входного тока смещения для срабатывания Q1 и срабатывания реле.

Требуемый ток в 1 миллион раз меньше, чем ток, необходимый для смещения знаменитого силового транзистора 2N3055 для срабатывания того же реле.

Бесконтактный переключатель

В нашей следующей схеме, представленной выше, мы обсудим чрезвычайно высокий входной импеданс и возможности регулирования мощности полевого транзистора для создания стандартного, но чувствительного датчика приближения и схемы управления сигнализацией.

Вы можете использовать печатную плату размером 3 x 3 дюйма или любую подходящую металлическую деталь, которая может работать в качестве датчика. Это должно быть связано с воротами Q1.

Используйте резистор 100 МОм в качестве R2, который изолирует затвор Q1 от R1. Это действие позволяет входному импедансу оставаться чрезвычайно высоким.

Если 100 МОм недоступен, вы можете соединить пять резисторов 22 МОм последовательно и использовать их как R2. Полезно знать, что для повышения чувствительности просто увеличьте значение R2.

Потенциометр R1 настроен на точку, при которой пьезоизлучатель только начинает щелкать. Немедленно отступите немного назад до момента, когда зуммер перестанет издавать шум.

Проверка настройки резистора R1 поможет получить наилучшую настройку чувствительности схемы. Вы также можете установить резистор R1 в положение, при котором срабатывание должно быть подключено для срабатывания сигнализации.

В качестве альтернативы пьезоизлучателю вы можете использовать реле или другой компонент, отслеживающий ток, для управления любой внешней цепью.

Проблесковый маячок

Схема, показанная ниже, построена на двух мощных полевых транзисторах, которые настроены как типичный нестабильный мультивибратор для взаимозаменяемого включения и выключения пары ламп. Значения R/C, отображаемые в списке деталей, устанавливают частоту мигания около 0,333 Гц.

Изменяя одно из значений резистора или конденсатора, можно получить практически любую частоту мигания. Увеличьте значения либо C1 и C2, либо R1 и R2, чтобы уменьшить частоту мигания. Чтобы повысить скорость, просто уменьшите значения компонентов R/C.

Силовые полевые МОП-транзисторы не похожи ни на какие другие полупроводниковые устройства, поскольку их можно включать параллельно, не требуя устройств разделения тока, которые необходимы для регулирования больших токов нагрузки.

Это имеет решающее значение, когда такие устройства используются для включения ламп накаливания из-за морозостойкости лампы. Как правило, морозостойкость ниже, чем нормальная рабочая стойкость.

При использовании стандартной лампы #18151 от 12 до 14 В с сопротивлением около 6 Ом подается напряжение 12 В, начальный потребляемый ток близок к 2 А. При использовании той же лампы при напряжении 12 В требуется только 200 мА.

Известно, что в этом случае тепловое сопротивление как минимум в 10 раз превышает холодное сопротивление, или 60 Ом. Это знание жизненно важно при выборе любого полупроводникового компонента для управления лампой накаливания.

Генератор с переменной частотой (VFO)

Далее мы рассмотрим приведенную выше диаграмму, на которой силовой полевой транзистор установлен в выходном каскаде схемы звукового генератора с переменной частотой (VFO).

Эта схема VFO на полевых транзисторах может быть использована для тестирования звуковых тонов и превращена в типичный электронный музыкальный инструмент.

Например, несколько из них могут быть подключены параллельно друг другу, обладая индивидуально настроенными частотами. Используя только кнопочные переключатели, вы можете управлять питанием цепи, и у вас есть электронный орган.

U1-a и U1-b — два вентиля, соединенные в цепь VFO. Компоненты R1, R3 и C1 определяют частотный диапазон VFO.

Используя приведенные значения, выходной сигнал схемы может колебаться от нескольких сотен герц до нескольких тысяч герц, просто управляя резистором R3.

Самый простой способ изменить частотный диапазон генератора — применить различные значения емкости для C1. Требуемый диапазон частот можно выбрать с помощью поворотного переключателя, соединенного с несколькими конденсаторами.

Кассетный интерфейс

Хотя это и не актуально в современном мире, наша следующая схема ниже с двумя силовыми полевыми транзисторами (Q1 и Q2).

Они используются для создания основы интерфейсной схемы для подключения кассетного магнитофона к телефонной линии. Эта схема обеспечивает больше памяти для системы записи телефонных разговоров, которая часто переполняется из-за нежелательных коммерческих предложений.

После того, как интерфейсная схема развернута, вы должны нажать на кассетный магнитофон с длительным воспроизведением, нажать на переключатель записи и получить все входящие сообщения.

В качестве альтернативы, схема может функционировать как круглосуточный автоматический секретарь для записи всех входящих телефонных звонков.

Поскольку рабочее питание подается от самой телефонной линии, для этой цепи не требуется источник питания. Входящий сигнал подается по схеме мостового выпрямителя, состоящей из диодов D1-D4.

Если вы знакомы с процессом мостовых выпрямителей, то знаете, что мост гарантирует, что независимо от того, как схема полевого транзистора подключена к телефонным линиям, напряжение на стыке R1 и R3 всегда положительное.

Когда телефон не работает, напряжение на выходе моста (на стыке R1/R3) составляет около 48 В. Это напряжение подается через делитель напряжения, состоящий из R1 и R2.

Напряжение на соединении R1 и R2 подается на затвор Q1. Это действие включает его и позволяет снизить расход Q1 до минимума. Поскольку затвор Q2 подключен к стоку Q1, смещение, приложенное к затвору Q2, низкое, удерживая его в выключенном состоянии.

Как только автоответчик возвращается к вызову или трубка снимается, напряжение на телефонных линиях падает ниже 10 В, позволяя Q1 выключиться. На этом этапе напряжение на стоке Q1 начинает расти, что приводит к включению Q2.

Удаленный вход кассеты подключен к стоку и истоку Q2 через S1 и миниатюрную вилку, выбранную для соединения с гнездом удаленного входа.

Переключатель S1 должен быть установлен таким образом, чтобы положительный вывод удаленного входа регистратора подключался (через положение переключателя 1) к стоку Q2, а отрицательный вывод к истоку Q2.

Переключатель S2 обеспечивает простой способ реверсирования триггерного выхода схемы без необходимости отпаивать и повторно припаивать выводы. Звук телефона подключается через С1, С2 и Т1 к микрофонному входу магнитолы.

Переключатель, активируемый звуком

В этой последней схеме, показанной на рисунке ниже, силовой полевой транзистор используется в качестве переключателя в цепи кассетного магнитофона, запускаемой звуком.

Вы можете найти этот тип схем в проекте для автономной записи прерывистого шума или звуков дикой природы без непрерывной работы записывающего устройства.

Чувствительный электретный микрофон улавливает звук и подает сигнал на двухкаскадную схему усилителя, состоящую из U1-a и U1-b.

Выходной сигнал усилителя U1-b подается на схему удвоителя напряжения (состоящую из D1, D2, C4 и C5). Выход удвоителя фактически является входом в вентиль Q1. Когда напряжение постоянного тока достигнет порогового уровня затвора, транзистор Q1 включится и запустит запись.

Внутренний или внешний микрофон кассеты можно использовать для записи стандартных уровней звука.

Однако для обнаружения слабых звуков необходимо использовать усиленный выходной сигнал для повышения уровня. Чувствительность схемы регулируется резистором R6, и вы можете поэкспериментировать с этим уровнем, чтобы получить наиболее оптимальное значение.

МОП-транзисторы идеально подходят для использования в высоковольтных цепях благодаря защите от пробоя вторичного напряжения, в отличие от обычного силового транзистора.

Вы также можете подключить любое количество полевых МОП-транзисторов в параллельном соединении, не прибегая к специальному согласующему по току резистору высокой мощности.

Высоковольтное зажигание на полевых транзисторах

На рисунке ниже показан шестигранный полевой транзистор IRF731, работающий в качестве сильноточного ключа в цепи зажигания высоковольтного генератора.

Пара вентилей шестнадцатеричного инвертирующего буфера 4049 (U1-a и U1-b) сконфигурирована как типичная схема генератора прямоугольных импульсов. На вывод 2 U1-b подается выход генератора прямоугольных импульсов (узкий положительный импульс).

Затем он подается на затвор (G) Q1 через комбинацию R/C (состоящую из R2 и C2), которая вызывает его включение и выключение с той же скоростью.