Схема стабилизатора тока на полевом транзисторе: Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Содержание

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В статье расскажу, как сделать простой стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе.

Описание задумки.

Задолго до разработки фонарика на ATtiny13 мне уже доводилось работать со сверх-яркими светодиодами. И что могу сказать. Редкий радиолюбитель жаждет чтобы светодиоды перегорали, как можно чаще! :). Особенно мощные и дорогие. Вот и мне этого не хотелось и решил взяться за разработку стабилизатора тока.

Немного теории.

Мне часто задают один и тот же вопрос, мол почему именно стабилизатор тока лучше для светодиодов, а не стабилизатор напряжения. Ответ простой, но он многим не нравиться. Постараюсь пояснить на вольт-амперной характеристики(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528, рисунок 1.

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528 при 25⁰С.

Ось У – ток через светодиод.

Ось Х – падение напряжения на светодиоде.

Теперь внимание! Заявленный производителем ток для данного светодиода равен 20мА. Смотрим на рисунок и видим, что ток 20 мА приблизительно соответствует напряжению на светодиоде 3,4В. Если поднять напряжение на светодиоде до 3,5В, а это всего лишь на 0,1В больше чем его типовое напряжение, то ток увеличиться до 50мА, а это в 2,5 раза больше чем его заявленный ток. Если всё перевести в процентное соотношение, то получиться что ток возрастает в 2,5 раза, при увеличении напряжения всего лишь на 3%(округлил). Вот почему стабилизатор напряжения должен быть практически идеальным!

Теперь рассмотрим стабилизатор тока. Если стабилизировать ток 20мА, то увеличение тока на 3% даст результат – 20,6мА. Согласитесь, что это совсем другой результат и он куда лучше предыдущего!

Иногда мне пытаются доказать, что последовательное соединение светодиодов + стабилизатор напряжения лучше, чем параллельное + стабилизатор тока. Это, конечно, тема для отдельной статьи, но хочу тут немного пояснить, что параллельное соединение однозначно выигрывает.

Для примера возьмём пять светодиодов 20мА, 3,4В и соединим их последовательно и параллельно. При последовательном соединении если один светодиод перегорает и остаётся замкнутым, а такое бывает и часто, напряжение 17В(3,4В*5шт) делится между оставшимися четырьмя светодиодами в равных пропорциях (предположим что так). Получается, что падение напряжение на каждом светодиоде будет - 4,25В (17В/4шт). Ток при этом возрастает до неимоверных значений, а это приводит к последовательному перегоранию оставшихся светодиодов или части из них.

При параллельном соединении и стабилизации тока в 100мА(20мА*5шт) перегорание светодиода приведёт к увеличению тока на оставшихся всего на 5мА(20мА/4шт). Или по-другому: 100мА/4шт = 25мА – ток на каждом светодиоде. Разница очевидна! В этой статье не буду больше приводить плюсы и минусы каждого из решений, статья совсем о другом. Надеюсь пример был понятным. Мой личный выбор всегда на стороне параллельного соединения светодиодов и стабилизатора тока для них. Если и ваш тоже, то читайте дальше, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов.

О схеме.

Принципиальная схема стабилизатора тока на полевом транзисторе показана на рисунке 2.

Рисунок 2.

Резистор R1 нужен для того чтобы транзистор VT2 открывался. Стабилитрон VD1 защищает затвор от перенапряжения, для транзистора P0903BDG максимальное напряжение затвор-сток – 20В. Если у вас другой транзистор, то информацию на него смотрите в даташите. Параметр этот называется Gate-Source Voltage. Если напряжение питание значительно меньше максимального напряжения затвор-сток, то можно вообще стабилитрон не ставить. Резисторы R2-R6 выполняют роль шунта. На схему добавил их побольше чтобы можно было удобно подобрать нужный номинал.

Схема работает следующим образом. В начальный момент времени транзистор VT2 открыт, ток протекает через светодиоды и шунт из резисторов R2-R6, транзистор VT1 закрыт. При протекании тока через шунт на нём падает определённое напряжение и если оно равняется напряжению открытия транзистора VT1, то он открывается и «садит» затвор транзистора VT2 на минус питания, транзистор VT2 закрывается и ток через светодиоды и шунт начинает снижаться. При снижении тока через светодиоды будет снижаться падение напряжение и на шунте, как только напряжение станет меньше чем нужно для открытия транзистора VT1, он закроется и «освободит» затвор транзистора VT2. Транзистор VT2 снова откроется и ток устремиться к светодиодам и шунту. Дальше все повторяется по кругу.

Настройка.

Настройка схемы заключается в определении необходимого тока для светодиодов и подбору номиналов резисторов шунта. Приблизительно считаю, что падение напряжение на шунте должно быть около 0,5В. Этого напряжения достаточно для открытия транзистора VT1. Хотя по даташиту напряжение база-эмиттер для транзистора BC846 – 0,66В, для отечественных – 0,7В.

В качестве примера рассчитаю для вас номиналы резисторов шунта на ток 170мА.

Сопротивление шунта(Ом) = падение напряжение на шунте(В) / ток через шунт (А), получается: Сопротивление шунта = 0,5В / 0,17А = 2,94 Ом. Полученный результат округляю до 3 Ом. Из стандартного ряда можно взять два резистора номиналом 1 Ом и 2 Ом и впаять их на плату, как R2, R3. Резисторы R4-R6 при этом исключаются из схемы.

Дальше нужно проверить какой ток стабилизирует стабилизатор. Для проверки потребуется амперметр или миллиамперметр. Прибор нужно подключить в разрыв любого из проводов питания, подать питающее напряжение, оно, кстати, должно быть больше чем типовое питание светодиодов. Лучше использовать источник питания с возможностью регулировки выходного напряжения. Подключаем, регулируем, смотрим.

В определённый момент времени ток через стабилизатор перестанет меняться – это и будет током стабилизации. Дальнейшее увеличение напряжения ничего не изменит, разве что добавит разогрев транзистора VT2. Нужно понимать, что всё избыточное напряжение будет выделяться на транзисторе VT2 в качестве тепла. Если ток стабилизации получился таким какой нужен значит подбор шунта закончен, если же ток отличается от нужного значения в большую сторону – увеличиваем сопротивление шунта, в меньшую – уменьшаем.

О печатной плате.

Печатную плату разрабатывал под SMD компоненты в программе P-CAD 2006. Размеры платы – 37x18мм, рисунок 3. Вы можете разработать свою печатную плату и прислать мне файл для размещения на сайте.

Рисунок 3.

О деталях.

Перечень деталей, необходимых для сборки стабилизатора тока, свёл в таблицу 1.

Таблица1 – перечень компонентов.

Позиционное обозначение

Наименование

Аналог/замена

R1

Резистор 10к.

SMD типоразмер 0805

R2-R6

Резисторы шунта.

SMD типоразмер 1206

VD1

Стабилитрон 9,1В.

Корпус SOD80

VT1

Транзистор биполярный BC846. Структура – n-p-n.

Корпус SOT23.

VT2

Транзистор полевой P0903BDG. Структура - n-канальный.

Корпус DPAK

Резюмирую. Во всех моих разработках со светодиодами обязательно есть стабилизатор тока. Он или простой, как в тот, что описан в статье или на операционном усилителе. Светодиоды обычно подключаю параллельно или последовательно-параллельно, всё зависит от конкретной задачи. В этой же статье рассказал, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе. Постарался объяснить, чем отличается стабилизатор напряжения от стабилизатора тока для светодиодов и что лучше. Надеюсь у меня получилось. Привёл принципиальную схему стабилизатора тока и печатную плату. Все файлы можно скачать с сайта. Приятных разработок!

Ну и фото напоследок.

BC846 datasheet.

P0903BDG datasheet.

Архив с проектом.

Стабилизатор тока на двух транзисторах (схема, плата, сборка, испытание) — Схемка: Электронные Радиосхемы

Схема простейшего стабилизатора тока

Выше представлена очень простая схема линейного стабилизатора тока на двух транзисторах: полевом и биполярном, первый силовой, он управляет нагрузкой (на схеме светодиод), а второй (маломощный) полупроводниковый прибор задаёт режим работы первого.

Принцип работы (работа стабилизатора тока)

Пусть наша нагрузка это R, будем считать, что её сопротивление почти не изменяется (R = const), ток мы хотим неизменный (I = const), а что у нас остаётся – только выходное напряжение на источнике тока, его то и будет подбирать схема, причём не просто от балды, а именно такое, при котором через вышеупомянутою нагрузку

R потечёт ровно тот ток I, на который рассчитано устройство.

А вот разбор работы самой схемы:

после подключения источника питания через резистор R1 открывается полевой транзистор, через резистор R2-открытый канал сток-исток VT1 и нагрузку (светодиод) течёт ток. Чем больший ток, тем больше будет падать напряжения на резисторе, и когда оно достигнет значения открытия VT2 (для кремниевого биполярного примерно 0,60-0,75 В) тот откроется, через его ЭК потечёт ток от минуса к затвору VT1, тем самым прикрыв его, но не полностью, ведь R1 никуда не девается.

Примечание. Детали для данного экземпляра взяты со старых плат, в частности мощный полевой N-канальный транзистор MTD20N06V в DPAK (TO-252) исполнении с материнки, у него сопротивление открытого канала 65 мОм, а максимальное длительно приложенное напряжение затвор-исток 20 Вольт, питается схема от БП 12 Вольт (скачки напряжения не более нескольких Вольт), поэтому диод Зенера не понадобится. Биполярный транзистор – это известный

BC847A в SOT-23 корпусе. Резистор R1 = 11 кОм, R2 = 2 Ом типоразмера 1205 и мощностью 0.25 Вт. Этот экземпляр предназначен для стабилизированного тока:

Iстаб = UБЭ * R2 = 0.6 В / 2 Ом = 300 мА

Испытание

Дорожки были начерчены маркером, поэтому плата немного отличается от разработанной, крепления под винтики сделаны не были. Подключаем устройство к источнику питания (у меня был трансформатор 12В с диодным мостом и конденсатором), теперь зная, что ток относительно невелик я тупо замкнул выход амперметром, рассчитанным на измерение постоянного тока до 20А, показания ниже:

 

Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло  Uвых = 2.72 В при токе Iвых = 0.31 А, при этом на входе Uпит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (Uпит - 

Uвых)*Iвых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно Uвых = 10.32 В, Iвых = 0.29 А при Uпит = 11.22 В, получаем:

P2 = (Uпит - Uвых)*Iвых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

Iвых = UБЭ/R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Проверка амперметром:

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток ~1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного

тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для Iст), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Увеличение стабильности

При работе часть энергии рассеивается, происходит нагрев платы и компонентов схемы, параметры плывут, а главное изменяется напряжение насыщения ( UБЭ) транзистора VT2, те самые ~0,7 В будут изменяться, что приведёт к изменению выходного тока.

ТКН (Температурный Коэффициент Напряжения) pn-перехода транзистора отрицательный, при повышении температуры UБЭ будет уменьшаться. Для термостабилизации вводим дополнительно элемент с положительным ТКН – стабилитрон (с Uст > 6.5 В), тогда при нагреве напряжение на одном компоненте (VT2) будет уменьшаться, а на другом (D1) увеличиваться, таким образом получается компенсация. В совершенстве ТКН обоих приборов должен быть равен по величине и противоположным по знаку, а нагрев происходить одинаково (именно поэтому они расположены рядом на плате).

Также добавлен ещё один транзистор VT3, который выступает источником тока для VT2, что придаст ещё большей стабильности, т.к. при изменении напряжения питания в определённом диапазоне ток базы VT2 почти не будет изменяться.

Печатные платы

Всё уместилось на маленьком кусочке (3 на 2 см) фольгированного текстолита, тепло отводится путём крепления всей платы на кусок алюминия винтами, спроектирована она с расчётом на крепёж M2, чтобы легко и надёжно закрепить её или попросту приклеить к теплоотводу теплопроводящим клеем (Stars 922). При необходимости её можно легко уменьшить почти в два раза раза два.

Список компонентов

Видео

В конечном счете

Такой условный источник тока можно использовать как стабилизатор тока для светодиодов в автомобиле (12 В-14,4 В), с помощью него подключать лазеры к какому-то трансформатору или ИБП со скачущим напряжением в несколько вольт или использовать в схемах зарядных устройств. Но, как вы поняли использовать данное устройство можно с любой другой нагрузкой, требующей стабильного значения электрического тока. Этот стабилизатор рассеивает “лишнюю” энергию в виде теплоты, что может быть неприемлемо в ситуациях, когда разница напряжений большая и протекающий ток не мал, но, например, в условиях когда входное напряжение не сильно превышает выходное и ток стабилизации мал, почему бы и нет?

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Современного человека в быту и на производстве окружает большое количество электротехнических приборов и оборудования. Для устойчивой, стабильной работы всей этой техники требуется бесперебойная подача электроэнергии. Однако из-за скачков сетевого напряжения, приборы довольно часто выходят из строя. Во избежание подобных ситуаций, применяются специальные устройства, в том числе и стабилизатор тока на полевом транзисторе. Его использование гарантирует нормальную работу электротехники, предотвращает аварии и поломки.

Работа стабилизаторов тока

Качественное питание всех электротехнических устройств можно гарантированно обеспечить лишь, используя стабилизатор тока. С его помощью компенсируются скачки и перепады в сети, увеличивается срок эксплуатации приборов и оборудования.

Основной функцией стабилизатора является автоматическая поддержка тока потребителя с точно заданными параметрами. Кроме скачков тока, удается компенсировать изменяющуюся мощность нагрузки и температуру окружающей среды. Например, с увеличением мощности, потребляемой оборудованием, произойдет соответствующее изменение потребляемого тока. В результате, произойдет падение напряжения на сопротивлении проводки и источника тока. То есть, с увеличением внутреннего сопротивления, будут более заметны изменения напряжения при увеличении токовой нагрузки.

В состав компенсационного стабилизатора тока с автоматической регулировкой входит цепь отрицательной обратной связи. Изменение соответствующих параметров регулирующего элемента позволяет достичь необходимой стабилизации. На элемент оказывает воздействие импульс обратной связи. Данное явление известно, как функция выходного тока. В зависимости от регулировок, стабилизаторы разделяются на непрерывные, импульсные и смешанные.

Среди множества стабилизаторов очень популярны стабилизаторы тока на полевых транзисторах. Подключение транзистора в данной схеме осуществляется последовательно сопротивлению нагрузки. Это приводит к незначительным изменениям тока нагрузки, в то время, как входное напряжение подвержено существенным изменениям.

Устройство и работа полевого транзистора

Управление полевыми транзисторами осуществляется посредством электрического поля, отсюда и появилось их название. В свою очередь электрическое поле создается под действием напряжения. Таким образом, все полевые транзисторы относятся к полупроводниковым приборам, управляемым напряжением.

Канал этих устройств открывается только с помощью напряжения. При этом, ток не протекает через входные электроды. Исключение составляет лишь незначительный ток утечки. Отсюда следует, что какие-либо затраты мощности на управление отсутствуют. Однако на практике не всегда используется статический режим, в процессе переключения транзисторов задействована некоторая частота.

В конструкцию полевого транзистора входит внутренняя переходная емкость, через которую протекает некоторое количество тока во время переключения. Поэтому для управления затрачивается незначительное количество мощности.

В состав полевого транзистора входит три электрода. Каждый из них имеет собственное название: исток, сток и затвор. На английском языке эти наименования соответственно будут выглядеть, как source, drain и gate. Канал можно сравнить с трубой, по которой движется водяной поток, соответствующий заряженным частицам. Вход потока происходит через исток. Выход заряженного потока происходит через сток. Для закрытия или открытия потока существует затвор, выполняющий функцию крана. Течение заряженных частиц возможно лишь при условии напряжения, прилагаемого между стоком и истоком. При отсутствии напряжения тока в канале также не будет.

Таким образом, чем больше значение подаваемого напряжения, тем сильнее открывается кран. Это приводит к увеличению тока в канале на участке сток-исток и уменьшению сопротивления канала. В источниках питания применяется ключевой режим работы полевых транзисторов, позволяющий полностью закрывать или открывать канал.

Полевые транзисторы в стабилизаторах тока

Стабилизаторы тока предназначены для поддержания параметров тока на определенном уровне. Благодаря этим свойствам, данные приборы успешно используются во многих электронных схемах. Чтобы понять принцип действия, следует рассмотреть некоторые теоретические вопросы. Известно, что в идеальном источнике тока присутствует ЭДС, стремящаяся к бесконечности и бесконечно большое внутреннее сопротивление. За счет этого удается получить ток с требуемыми параметрами, независимо от сопротивления нагрузки.

Идеальный источник способен создавать ток, остающийся на одном уровне, несмотря на изменяющееся сопротивление нагрузки в диапазоне от короткого замыкания до бесконечности. Для поддержания значения тока на неизменном уровне, величина ЭДС должна изменяться, начиная от величины больше нуля и до бесконечности. Основным свойством источника, позволяющим получать стабильное значение тока, является изменение сопротивления нагрузки и ЭДС таким образом, чтобы значение тока оставалось на одном и том же уровне.

Но, на практике поддержка источником требуемого уровня тока происходит в ограниченном диапазоне напряжения, возникающего на нагрузке. Реальные источники тока используются вместе с источниками напряжения. К таким источникам относится обычная сеть на 220 вольт, а также аккумуляторы, блоки питания, генераторы, солнечные батареи, поставляющие потребителям электрическую энергию. С каждым из них может быть последовательно включен стабилизатор тока на полевом транзисторе, выход которого выполняет функцию источника тока.

Простейшая конструкция стабилизатора состоит из двухвыводного компонента, с помощью которого происходит ограничение протекающего через него тока, до необходимых параметров, устанавливаемых изготовителем. Своим внешним видом он напоминает диод малой мощности, поэтому данные приборы известны как диодные стабилизаторы тока.

Схема. Модуль мощного стабилизатора напряжения на полевом транзисторе


      На основе мощных переключательных полевых транзисторов [1] можно построить линейные стабилизаторы напряжения. Подобное устройство было ранее описано в [2]. Немного изменив схему, как показано на рис. 1, можно улучшить параметры описанного стабилизатора, существенно (в 5…6 раз) уменьшив падение напряжения на регулирующем элементе, в качестве которого применен транзистор IRL2505L. Он имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,008 Ом), обеспечивает ток до 74 А при температуре корпуса 100 °С, отличается высокой крутизной характеристики (59 А/В). Для управления им требуется небольшое напряжение на затворе (2,5…3 В). Предельное напряжение сток—исток — 55 В, затвор—исток — ±16 В, мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 200 Вт.

      Подобно современным микросхемным стабилизаторам, предлагаемый модуль имеет три вывода: 1 — вход, 2 — общий, 3 — выход. В качестве управляющего элемента применена микросхема DA1 — параллельный стабилизатор напряжения КР142ЕН19 (TL431). Транзистор VT1 выполняет функцию согласующего элемента, а стабилитрон VD1 обеспечивает стабильное напряжение для его базовой цепи. Значение выходного напряжения можно рассчитать по формуле
Uвых=2,5(1+R5/R6).
      Выходное напряжение регулируют, изменяя сопротивление резистора R6. Конденсаторы обеспечивают устойчивую работу стабилизатора. Устройство работает следующим образом. При увеличении выходного напряжения повышается напряжение на управляющем входе микросхемы DA1, в результате чего ток через нее увеличивается. Напряжение на резисторе R2 увеличивается, а ток через транзистор VT1 уменьшается. Соответственно напряжение затвор—исток транзистора VT2 уменьшается, вследствие чего сопротивление его канала возрастает. Поэтому выходное напряжение уменьшается, восстанавливаясь до прежнего значения.

      Регулирующий полевой транзистор VT2 включен в минусовый провод, а управляющее напряжение поступает на него с плюсового провода. Благодаря такому решению стабилизатор способен обеспечить ток нагрузки 20…30 А, при этом входное напряжение может быть всего на 0,5 В больше выходного. Если предполагается использовать модуль при входном напряжении более 16 В, то транзистор VT2 необходимо защитить от пробоя с помощью маломощного стабилитрона с напряжением стабилизации 10…12 В, катод которого подключают к затвору, анод — к истоку.

      В устройстве можно применить любой n-канальный полевой транзистор (VT2), подходящий по току и напряжению из списка, приведенного в [1], желательно выделенный желтым цветом. VT1 — КТ502, КТ3108, КТ361 с любыми буквенными индексами. Микросхему КР142ЕН19 (DA1) допустимо заменить на TL431. Конденсаторы — К10-17, резисторы — Р1-4, МЛТ, С2-33.
      Схема подключения модуля стабилизатора приведена на рис. 2.

      При большом токе нагрузки на транзисторе VT2 рассеивается большая мощность, поэтому необходим эффективный теплоотвод. Транзисторы этой серии с буквенными индексами L и S устанавливают на теплоотвод с помощью пайки. В авторском варианте в качестве теплоотвода и одновременно несущей конструкции применен корпус от неисправного транзистора КТ912, КП904. Этот корпус разобран, удалена его верхняя часть так, что осталась позолоченная керамическая шайба с кристаллом транзистора и выводами-стойками. Кристалл аккуратно удален, покрытие облужено, после чего к нему припаян транзистор VT2. К покрытию шайбы и выводам транзистора VT2 припаяна печатная плата из двусторонне фольгированного стеклотекстолита (рис. 3). Фольга на обратной стороне платы целиком сохранена и соединена с металлизацией шайбы (стоком транзистора VT2) После налаживания и проверки модуля стабилизатора плата приклеена к корпусу. Выводы 1 и 2 — площадки на печатной плате, а вывод 3 (сток транзистора VT2) — металлический вывод-стойка на керамической шайбе.

      Если применить детали для поверхностного монтажа: микросхему TL431CD (рис. 4), транзистор VT1 КТ3129А-9, транзистор VT2 IRLR2905S, резисторы Р1-12, то часть их можно разместить на печатной плате, а другую часть — навесным монтажом непосредственно на керамической шайбе корпуса. Внешний вид собранного устройства показан на рис. 5. Модуль стабилизатора напряжения не имеет гальванической связи с основанием (винтом) корпуса, поэтому его можно непосредственно разместить на теплоотводе, даже если он соединен с общим проводом питаемого устройства.

      Также допустимо использовать корпус от неисправных транзисторов серий КТ825, КТ827. В таком корпусе кристаллы транзистора прикреплены не к керамической, а к металлической шайбе. Именно к ней, предварительно удалив кристалл, припаивают транзистор VT2. Остальные детали устанавливают аналогично. Сток транзистора VT2 в этом случае соединен с корпусом, поэтому модуль можно непосредственно установить на теплоотвод, соединенный с минусовым проводом питания нагрузки.
      Налаживание устройства сводится к установке требуемого выходного напряжения подстроечным резистором R6 и к проверке отсутствия самовозбуждения во всем интервале выходного тока. Если оно возникнет, его нужно устранить увеличением емкости конденсаторов.

ЛИТЕРАТУРА
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. — Радио, 2001, № 5, с. 45.
2. Нечеев И. Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе. — Радио, 2003, № 8. с. 53, 54.

И. НЕЧАЕВ, г. Курск
«Радио» №2 2005г.

Похожие статьи:
ПОВЫШАЮЩИЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Импульсный источник питания на однопереходном транзисторе
Регулируемый стабилизатор напряжения с ограничением по току
Мощный стабилизатор двухполярного напряжения для УМЗЧ

Post Views: 8 729

Стабилизатор напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В)

При построении сильноточных стабилизаторов напряжения радиолюбители обычно используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими, включенными параллельно, биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключательный полевой транзистор, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор.

Принципиальная схема

Схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рис. 1. Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение около 13 В (эффективное значение) поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр.

На конденсаторах фильтра оно равно 16 В. Это напряжение поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор.

Рис. 1. Принципиальная схема  стабилизатора напряжения на мощном полевом транзисторе IRLR2905 (13В).

Часть выходного напряжения через делитель R2, R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В.

В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т.е. частично закрывая его, и, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту (рис. 1.6).

В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе.

Рис. 2. Печатная плата.

При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроенным резистором.

В стабилизаторе в качестве регулирующего элемента применен мощный полевой транзистор IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом (переключательном) режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном режиме.

Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30 А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5...3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт.

Полевым транзистором управляет микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (импортный аналог TL431). Конденсаторы — малогабаритные танталовые, резисторы — МЛТ, С2-33, диод VD2 — выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.

Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод.

Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа.

Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам C1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.

Печатная плата устройства приведена на рис. 2 Эта плата рассчитана на установку малогабаритных деталей в корпусах для поверхностного монтажа, в том числе и микросхема КР142ЕН19 требует замены на импортный аналог в корпусе SO-8.

Схема на биполярном транзисторе

Рис. 3. Схема блока питания без полевого транзистора.

В случае, если полевой транзистор найти не удалось, стабилизатор можно выполнить по другой схеме (рис. 3.), на мощных биполярных транзисторах, с использованием той же микросхемы. Правда, максимальный ток нагрузки у этого варианта стабилизатора не более 3...4 А.

Для повышения коэффициента стабилизации применен стабилизатор тока на полевом транзисторе, в качестве регулирующего элемента применен мощный составной транзистор. Трансформатор должен обеспечивать на вторичной обмотке напряжение не менее 15 В при максимальном токе нагрузки.

Первоисточник: неизвестен.

Стабилизаторы тока » PRO-диод

Стабилизаторы тока

25.10.2013 | Рубрика: Электроника

Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым.
Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши. Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п.
Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)

Простой стабилизатор тока на КРЕНке

Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима).
Схема и применение показаны на рисунках ниже

Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)

Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства

Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2. В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.

Таким образом, мы получили простой как веник стабилизатор тока, который может применяться как электронная нагрузка, источник тока для заряда аккумуляторов и т.п.

Интегральные стабилизаторы достаточно шустро реагируют на изменение входного напряжения. Недостаток же такого регулятора тока – весьма большое сопротивление токозадающего резистора R3 и как следствие необходимость применять более мощные и более дорогие резисторы.

Простой стабилизатор тока на двух транзисторах

Достаточно широкое распространение получили простенькие стабилизаторы тока на двух транзисторах. Основной минус данной схемы – не очень хорошая стабильность тока в нагрузке при изменении питающего напряжения. Впрочем, для многих применений сгодятся и такие характеристики.

Далее показана схема стабилизатора тока на транзисторе. В данной схеме токозадающим резистором является R2. При увеличении тока через VT2, увеличится напряжение на токозадающем резисторе R2, которое при величине примерно 0,5…0,6В начинает открывать транзистор VT1. Транзистор VT1 открываясь начинает закрывать транзистор VT2 и ток через VT2 уменьшается.

Стабилизатор тока на транзисторах

Зарядка аккумуляторов

Вместо биполярного транзистора VT2, можно применить MOSFET – полевой транзистор.

Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение 8…15В и необходим в случаях, когда напряжение источника питания достаточно велико и может пробить затвор полевого транзистора. Для мощных MOSFET это напряжение составляет порядка 20В. Далее показана схема стабилизатора тока с использованием MOSFET.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Нужно учитывать, что MOSFET открываются при напряжении на затворе не менее 2В, соответственно увеличивается и напряжение, необходимое для нормальной работы схемы стабилизатора тока. При зарядке аккумуляторов и некоторых других задачах вполне достаточно будет включить транзистор VT1 с резистором R1 непосредственно к источнику питания так, как это показано на рисунке:

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В схемах стабилизатора тока на транзисторах необходимое значение токозадающего резистора для заданного значения тока примерно в два раза меньше, чем в схемах со стабилизатором на КР142ЕН12 или LM317. Это позволяет применить токозадающий резистор меньшей мощности.

Стабилизатор тока на операционном усилителе (на ОУ)

Если необходимо собрать регулируемый в широких пределах стабилизатор тока или стабилизатор тока с токозадающим резистором на порядок или даже два ниже, чем на схемах, показанных ранее, можно применить схему с усилителем ошибки на ОУ (операционном усилителе). Схема такого стабилизатора тока показана на рис:

Стабилизатор тока на операционном усилителе

В данной схеме токозадающим является резистор R7. ОУ DA2.2 усиливает напряжение токозадающего резистора R7 – это усиленное напряжение ошибки. ОУ DA2.1 сравнивает опорное напряжение и напряжение ошибки и регулирует состояние полевого транзистора VT1.

Обратите внимание, что схема требует отдельного питания, подаваемого на разъем XP2. Напряжение питания должно быть достаточным для работы компонентов схемы и не превышать значения напряжения пробоя затвора MOSFET VT1.

В качестве генератора опорного напряжения в схеме на рис. 7 применена микросхема DA1 REF198 с выходным напряжением 4,096В. Это достаточно дорогая микросхема, поэтому ее можно заменить обычной кренкой, а если напряжение питания схемы (+U) является стабильным, то и вовсе обойтись без стабилизатора напряжения в данной схеме. В этом случае переменный резистор R подсоединяется не к REF, а к +U. В случае электронного управления схемой вывод 3 DA2.1 можно подключить непосредственно к выходу ЦАП.

Для настройки схемы необходимо выставить ползунок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение, подстроечным резистором R3 установить необходимое значение тока – это значение будет максимальным. Теперь резистором R1 можно регулировать ток через VT1 от 0 до установленного при настройке максимального тока. Элементы R2, C2, R4 необходимы для предотвращения возбуждения схемы. Из-за этих элементов временные характеристики не являются идеальными, что видно по осциллограмме

Осциллограмма стабилизатора тока на ОУ

На осциллограмме луч 1 (желтый) показывает напряжение нагружаемого ИП (источника питания), луч 2 (голубой) показывает напряжение на токозадающем резисторе R7. Как видно, в течение 80 мкс через схему протекает ток в несколько раз больше установленного.

Стабилизатор тока на микросхеме импульсного стабилизатора напряжения

Иногда от стабилизатора тока требуется не только работать в широком диапазоне питающих напряжений и нагрузок, но и иметь высокий КПД. В этих случаях компенсационные стабилизаторы не годятся и на смену им приходят стабилизаторы импульсные (ключевые). Кроме того, импульсные стабилизаторы могут при небольшом входном напряжении получать высокое напряжение на нагрузке.

Далее предлагается к рассмотрению широко распространенная микросхема MAX771. Основные характеристики MAX771:

  • Напряжение питяния 2…16,5В
  • Собственное потребление 110uA
  • Выходная мощность до 15W
  • КПД при токе нагрузки 10mA…1A достигает 90%
  • Опорное напряжение 1,5V

На рисунке показан один из вариантов включения микросхемы, именно его мы и возьмем за основу нашей схемы.

MAX771 включен как повышающий стабилизатор напряжения

Упрощенно процесс стабилизации выглядит следующим образом. Резисторы R1 и R2 являются делителями выходного напряжения микросхемы, как только делимое напряжение, поступающее на вывод FB микросхемы MAX771, больше опорного напряжения (1,5V) микросхема уменьшает выходное напряжение и наоборот — если напряжение на выводе FB меньше 1,5V, микросхема увеличивает входное напряжение.

Очевидно, что если контрольные цепи изменить так, чтобы MAX771 реагировала (и соответственно регулировала) выходной ток, то мы полчим стабилизированный источник тока.
Ниже показаны модифицированная схема с ограничением выходного напряжения и вариант нагрузки.

Схема стабилизатора тока на MAX771
Нагрузка для стабилизатора тока

При небольшой нагрузке, пока падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 меньше 1,5V, схема на Рис.10a работает как стабилизатор напряжения, стабилизируя напряжение на уровне стабилитрона VD2 + 1,5V. Как только ток нагрузки становится достаточно большим, на R3 падение напряжения увеличивается и схема переходит в режим стабилизации тока.

Резистор R8 устанавливается в том случае, если напряжение стабилизации может быть большим — больше 16,5V. Резистор R3 является токозадающим и рассчитывается по формуле: R3 = 1,5/Iст.
Недостатком схемы является достаточно большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Данный недостаток устраняется применением операционного усилителя (ОУ) для усиления сигнала с резистора R3. Например, если резистор требуется уменьшить в 10 раз при заданном токе, то усилитель на ОУ должен усилить напряжение падающее на R3 тоже в 10 раз.

Заключение

Итак, было рассмотрено несколько схем выполняющих функцию стабилизации тока. Конечно же, эти схемы можно улучшать, увеличивая быстродействие, точность и т.д. Можно применять в качестве датчика тока специализированные микросхемы и делать сверхмощные регулирующие элементы, но эти схемы идеально подходят в тех случаях, когда требуется быстро создать инструмент для облегчения своей работы или решения определенного круга задач.

Метки:: Стабилизатор тока

СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

Несложная схема для регулирования, а также стабилизации напряжения представлена на картинке выше, её сможет собрать даже новичок в электронике. К примеру, на вход подано 50 вольт, а на выходе получаем 15,7 вольт или другое значение до 27V.

Схема регулируемого стабилизатора

Основной радиодеталью данного устройства является полевой (MOSFET) транзистор, в качестве которого можно использовать IRLZ24/32/44 и другие подобные. Наиболее часто они производятся компаниями IRF и Vishay в корпусах TO-220 и D2Pak. Стоит около 0.58$ грн в розницу, на ebay 10psc можно приобрести за 3$ (0,3 доллара за штуку). Такой мощный транзистор имеет три вывода: сток (drain), исток (source) и затвор (gate), он имеет такую структуру: металл-диэлектрик(диоксид кремния SiO2)-полупроводник. Микросхема-стабилизатор TL431 в корпусе TO-92 обеспечивает возможность настраивать значение выходного электрического напряжения. Сам транзистор я оставил на радиаторе и  припаял его к плате с помощью проводков.

Входное напряжение для этой схемы может быть от 6 и до 50 вольт. На выходе же получаем 3-27V с возможностью регулирования подстрочным резистором 33k. Выходной ток довольно большой, до 10 Ампер, в зависимости от радиатора.

Сглаживающие конденсаторы C1,C2 могут иметь ёмкость 10-22 мкФ, C3 4,7 мкФ. Без них схема и так будет работать, но не так хорошо, как нужно. Не забываем про вольтаж электролитических конденсаторов на входе и выходе, мною были взяты все рассчитаны на 50 Вольт.

Мощность, которую сможет рассеять такой стабилизатор напряжения не может быть более 50 Ватт. Полевой транзистор обязательно устанавливается на радиатор, рекомендуемая площадь поверхности которого не менее 200 квадратных сантиметров (0,02 м2). Не забываем про термопасту или подложку-резинку, чтобы тепло лучше отдавалось.

Возможно использование подстрочного резистора 33k типа WH06-1, WH06-2 они имеют достаточно точную регулировку сопротивления, вот так они выглядят, импортный и советский.

Для удобства на плату лучше припаять две колодки, а не провода, которые легко отрываются.

Печатная плата для дискретных элементов и переменного резистора типа СП5-2 (3296).

Стабильность неплоха и напряжение изменяется только на доли вольта на протяжении длительного времени. Готовая платка получилась компактна и удобна. Так как я планирую длительное время использовать это устройство для защиты дорожек окрасил всё дно платы зеленым цапонлаком. Автор материала - Егор.

   Форум по БП

   Форум по обсуждению материала СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

FET Источник постоянного тока

Источник постоянного тока на полевом транзисторе - это тип активной схемы, в которой используется полевой транзистор для подачи постоянного тока в схему. Но зачем вам постоянный ток? Источники постоянного тока и приемники тока (приемник тока - обратная сторона источника тока) - это очень простой способ формирования цепей смещения или опорных значений напряжения с постоянным значением тока, например 100 мкА, 1 мА или 20 мА, используя только одиночный полевой транзистор и резистор.

Источники постоянного тока обычно используются в цепях зарядки конденсаторов для точной синхронизации или в приложениях для зарядки аккумуляторов, а также в цепях линейных светодиодов для возбуждения цепочек светодиодов с постоянной яркостью.

Опоры резистивного напряжения также могут быть сформированы с использованием источников постоянного тока, потому что, если вы знаете значение сопротивления и ток, протекающий через него, является постоянным и постоянным, вы можете просто использовать закон Ома, чтобы найти падение напряжения.Однако ключ к созданию точного и надежного источника постоянного тока зависит от использования полевых транзисторов с низкой крутизной, а также прецизионных резисторов для преобразования тока в точное и стабильное напряжение.

Полевые транзисторы обычно используются для создания источника тока с Junction-FET (JFET) и металл-оксидными полупроводниковыми MOSFET, которые уже используются в приложениях с источниками слабого тока. В своей простейшей форме JFET может использоваться как резистор, управляемый напряжением, где небольшое напряжение затвора контролирует проводимость его канала.

Мы видели в нашем руководстве о JFET, что JFET - это устройства истощения и что N-канальный JFET является устройством «нормально включенным», пока напряжение затвор-исток (VGS) не станет достаточно отрицательным, чтобы выключить его. ». P-канальный JFET, который также является «нормально включенным» устройством истощения, требует, чтобы напряжение на затворе стало достаточно положительным, чтобы выключить его.

N-канальный JFET смещение

На изображении показана стандартная компоновка и соединения для N-канального JFET с общим источником и нормальным смещением при использовании в его активной области.Здесь напряжение затвор-исток V GS равно питанию затвора или входному напряжению V G , которое устанавливает обратное смещение между затвором и истоком, в то время как V DD обеспечивает напряжение сток-исток и ток от источника питания от стока к источнику. Этот ток, поступающий на клемму стока JFET, имеет маркировку I D .

Напряжение сток-исток V DS представляет собой прямое падение напряжения полевого транзистора и является функцией тока стока I D для различных значений затвор-исток V GS .Когда V DS имеет минимальное значение, проводящий канал полевого транзистора полностью открыт, а I D имеет максимальное значение, которое называется током насыщения сток-исток I D (sat) или просто I . DSS .

Когда V DS находится на максимальном значении, проводящий канал JFET полностью закрыт (отсечен), поэтому I D уменьшается до нуля при напряжении сток-исток, V DS равно напряжение питания стока В DD .Напряжение затвора V GS , при котором канал JFET перестает проводить ток, называется напряжением отсечки затвора V GS (off) .

Эта общая схема смещения источника N-канального JFET определяет стабильную работу JFET при отсутствии какого-либо входного сигнала, V IN , поскольку V GS и I D являются величинами в установившемся режиме, то есть состояние покоя JFET.

Таким образом, для полевого транзистора с общим истоком напряжение затвор-исток V GS контролирует, сколько тока будет протекать через проводящий канал полевого транзистора между стоком и истоком, что делает полевой транзистор управляемым напряжением, поскольку его входное напряжение управляет током в канале. .В результате мы можем разработать набор кривых выходных характеристик, построив график I D в сравнении с V GS для любого данного устройства JFET.

Выходная характеристика N-канального JFET

JFET как источник постоянного тока

Тогда мы можем видеть, что n-канальный JFET является нормально включенным устройством, и если V GS достаточно отрицательный, проводящий канал сток-исток закрывается (отсечка), и ток стока уменьшается до нуля. Для n-канального JFET закрытие проводящего канала между стоком и истоком вызвано расширением обедненной области p-типа вокруг затвора до тех пор, пока он полностью не исчезнет. закрывает канал.Области обеднения N-типа закрывают канал для полевого транзистора с p-каналом.

Таким образом, установив напряжение затвор-исток на некоторое заранее определенное фиксированное отрицательное значение, мы можем заставить JFET проводить ток через свой канал с определенным значением между нулем ампера и I DSS соответственно. Рассмотрим схему ниже.

Смещение нулевого напряжения JFET

Мы видели, что кривые выходных характеристик полевого транзистора представляют собой график зависимости I D от V GS для постоянного V DS .Но мы также заметили, что кривые JFET не сильно меняются при больших изменениях в V DS , и этот параметр может быть очень полезен при установлении фиксированной рабочей точки проводящего канала.

В простейшем источнике постоянного тока клемма затвора JEFT закорочена на клемму источника, как показано, проводящий канал полевого транзистора открыт, поэтому ток через него будет близок к максимальному значению I DSS из-за работы полевого транзистора. в области насыщенного течения.Однако работа и производительность такой конфигурации постоянного тока довольно плохие, поскольку JFET постоянно находится в полной проводимости со значением тока I DSS , полностью зависящим от типа устройства.

Например, серия n-канальных JFET 2N36xx или 2N43xx составляет всего несколько миллиампер (мА), тогда как более крупные серии n-каналов J1xx или PN4xxx могут иметь несколько десятков миллиампер. Также обратите внимание, что I DSS будет сильно различаться между устройствами с тем же номером детали, который производители указывают в своих технических паспортах, минимальные и максимальные значения этого тока стока нулевого напряжения затвора, I DSS .

Также следует отметить, что полевой транзистор - это, по сути, резистор, управляемый напряжением, токопроводящий канал которого имеет значение сопротивления последовательно с выводами стока и истока. Это сопротивление канала называется R DS . Как мы видели, когда V GS = 0, протекает максимальный ток сток-исток, поэтому сопротивление канала полевого транзистора R DS должно быть минимальным, и это правда.

Однако сопротивление канала не полностью равно нулю, а имеет некоторое низкое омическое значение, определяемое геометрией изготовления полевого транзистора и которое может достигать 50 Ом или около того.Когда полевой транзистор является проводящим, это сопротивление канала обычно известно как R DS (ON) и имеет минимальное значение сопротивления, когда V GS = 0. Таким образом, высокое значение R DS (ON) приводит к низкому значению сопротивления. Я DSS и наоборот.

Таким образом, JFET может быть смещен для работы в качестве источника постоянного тока при любом значении тока ниже его тока насыщения, I DSS , когда V GS равно нулю вольт. Когда V GS находится на уровне напряжения отключения V GS (выкл.) , ток стока будет нулевым (I D = 0), поскольку канал закрыт.Таким образом, ток стока каналов I D будет всегда течь, пока JFET-транзистор работает в своей активной области, как показано.

Кривая передачи JFET

Обратите внимание, что для P-канального JFET напряжение отсечки V GS (off) будет положительным напряжением, но его ток насыщения I DSS , полученный, когда V GS равен нулю вольт, будет таким же, как для N-канального устройства. Также обратите внимание, что передаточная кривая нелинейна, потому что ток стока увеличивается быстрее через открытый канал, когда напряжение V GS приближается к нулю.

JFET смещение отрицательного напряжения

Мы помним, что JFET - это устройство в режиме истощения, которое всегда находится в состоянии «ВКЛ», поэтому для их выключения требуется отрицательное напряжение затвора для N-канальных JFET и положительное напряжение затвора для P-канальных JFET. Смещение N-канального JFET с положительным напряжением или смещение P-канального JFET с отрицательным напряжением откроет проводящий канал, еще больше увеличивая ток канала, I D за I DSS .

Но если мы используем характеристические кривые I D по сравнению с V GS , мы можем установить V GS на некоторый отрицательный уровень напряжения, скажем, -1 В, -2 В или -3 В, а также создать фиксированный источник постоянного тока JFET какой бы текущий уровень нам ни потребовался, от нуля до I DSS .

Но для более точного источника постоянного тока с улучшенным регулированием лучше смещать JFET примерно на 10–50% от его максимального значения I DSS . Это также помогает снизить потери мощности I 2 * R через резистивный канал и, следовательно, снизить эффект нагрева.

Итак, мы можем видеть, что, смещая вывод затвора полевого транзистора с некоторым отрицательным значением напряжения или положительным напряжением для полевого транзистора с P-каналом, мы можем установить его рабочую точку, позволяющую каналу проводить и пропускать определенное значение тока стока, I Д .Для различных значений V GS ток стока полевого транзистора I D можно математически выразить как:

Уравнение тока утечки JFET

Пример №1 источника постоянного тока на полевом транзисторе

В техническом описании производителя J109 N-канального переключающего JFET показано, что он имеет I DSS , равное 40 мА, когда V GS = 0, и максимальное значение V GS (выкл.) , равное -6,0 В. Используя эти заявленные значения, рассчитайте значение тока стока полевого транзистора, когда V GS = 0, V GS = -2 вольта и когда V GS = -5 вольт.Также покажите кривую передаточной характеристики J109.

1). Когда V GS = 0 В

Когда V GS = 0 В, токопроводящий канал открыт и течет максимальный ток стока.

Таким образом, I D = I DSS = 40 мА .

2). Когда V GS = -2V

3). Когда V GS = -5V

4). J109 Кривая передаточной характеристики

Таким образом, мы можем видеть, что по мере того, как напряжение затвор-исток, V GS приближается к напряжению отсечки затвор-исток, V GS (выключено) уменьшается ток стока, I D .В этом простом примере мы вычислили ток стока в двух точках, но расчет с использованием дополнительных значений V GS между нулем и отсечкой даст нам более точную форму кривой.

Источник тока JFET

JFET можно заставить работать в качестве источника постоянного тока, управляемого напряжением, когда его переход затвор-исток имеет обратное смещение, и для N-канального устройства нам понадобится -V GS , а для P-канального устройства нам понадобится + V GS . Проблема здесь в том, что для JFET требуется два отдельных источника напряжения, один для V DD , а другой для V GS .

Однако, если мы поместим резистор между источником и землей (0 вольт), мы сможем достичь необходимой схемы самосмещения V GS , чтобы JFET работал в качестве источника постоянного тока, используя только напряжение питания V DD . Рассмотрим схему ниже.

Источник тока JFET

На первый взгляд вы можете подумать, что эта конфигурация очень похожа на схему общего стока JFET (ведомого источника), которую мы видели в учебном пособии по JFET.

Однако разница на этот раз заключается в том, что, хотя вывод затвора полевого транзистора все еще связан непосредственно с землей (V G = 0), вывод истока находится на некотором уровне напряжения выше нулевого напряжения заземления из-за падения напряжения на резисторе истока, Р С .Следовательно, при канальном токе, протекающем через резистор внешнего истока, напряжение затвор-исток полевого транзистора будет меньше (больше отрицательного) нуля (В GS

). напряжение обратной связи, которое используется для самосмещения клеммы затвора полевого транзистора JFET, сохраняя постоянный ток стока через канал, несмотря на любые изменения напряжения сток-исток. Таким образом, единственный источник напряжения, который нам нужен, - это напряжение питания V DD для обеспечения стока. ток и предвзятость.

Таким образом, JFET использует падение напряжения на истоковом резисторе (V RS ) для установки напряжения смещения затвора V GS и, следовательно, тока канала, как мы видели выше. Таким образом, увеличение значения сопротивления R S уменьшит ток стока каналов I D , и наоборот. Но если бы мы хотели построить схему источника постоянного тока на полевом транзисторе, какое значение было бы подходящим для этого внешнего резистора источника, R S .

Лист данных производителя для конкретного N-канального JFET даст нам значения V GS (выкл.) и I DSS .Зная значения этих двух параметров, мы можем транспонировать приведенное выше уравнение JFET для тока стока, I D , чтобы найти значение V GS для любого заданного значения тока стока, I D между нулем и I DSS , как показано.

Уравнение напряжения затвора с полевым транзистором JFET

После определения напряжения затвор-исток, необходимого для данного тока стока, значение требуемого сопротивления резистора смещения истока определяется простым использованием закона Ома, так как R = V / I.Таким образом:

Уравнение истокового резистора с полевым транзистором JFET

Пример №2 источника постоянного тока на полевом транзисторе

Использование N-канального полевого транзистора J109 сверху, у которого I DSS составляет 40 мА, когда V GS = 0, и максимальное значение V GS (выкл.) , равное -6,0 В. Рассчитайте значение резистора внешнего источника, необходимого для создания постоянного тока в канале 20 мА и еще раз для постоянного тока 5 мА.

1). В GS для I D = 20 мА

2).В GS для I D = 5 мА

Таким образом, когда известны V GS (выкл.) и I DSS , мы можем использовать приведенные выше уравнения, чтобы найти сопротивление истока, необходимое для смещения напряжения затвора для конкретного тока стока, и в нашем простом примере это было 87,5 Ом при 20 мА и 776 Ом при 5 мА. Таким образом, добавление внешнего резистора источника позволяет регулировать выходной ток источника.

Если мы заменим резисторы с фиксированным номиналом на потенциометр, мы сможем полностью настроить источник постоянного тока на полевом транзисторе.Например, мы могли бы заменить два истоковых резистора в приведенном выше примере одним потенциометром 1 кОм или подстроечным резистором. Кроме того, что этот JFET-транзистор полностью регулируется, ток стока контура постоянного тока будет оставаться постоянным даже при изменении V DS .

Пример №3 источника постоянного тока на полевом транзисторе

N-канальный JFET требуется для изменения яркости 5-миллиметрового круглого красного светодиода в диапазоне от 8 мА до 15 мА. Если схема источника постоянного тока JFET питается от источника постоянного тока 15 В, рассчитайте сопротивление источника JFET, необходимое для освещения светодиода между минимальной и максимальной яркостью, когда переключающий JFET имеет максимальное значение V GS (выкл.) , равное -4.0 вольт и I DSS 20 мА, когда V GS = 0. Изобразите принципиальную схему.

1). В GS для I D = 8 мА

2). В GS для I D = 15 мА

Тогда нам понадобится внешний потенциометр, способный изменять его сопротивление от 36 Ом до 184 Ом. Ближайшее предпочтительное значение потенциометра будет 200 Ом.

Регулируемый источник постоянного тока с полевым транзистором

Потенциометр или подстроечный резистор, используемый вместо постоянного сопротивления источника, R S позволит нам изменять или точно настраивать ток, протекающий через проводящий канал полевого транзистора.

Однако, чтобы обеспечить хорошее регулирование тока через устройство на полевом транзисторе и, следовательно, более стабильное протекание тока, было бы лучше ограничить максимальный ток канала, протекающий через светодиод (15 мА в этом примере), между 10% и 50. % от значения JFET I DSS .

Создание источников постоянного тока с использованием полевых МОП-транзисторов позволяет значительно увеличить токи в каналах и лучше регулировать ток, и в отличие от полевых транзисторов с полевыми транзисторами, которые доступны только в качестве устройств с обычным режимом отключения, полевые МОП-транзисторы доступны как в режиме истощения (нормально-включенном), так и в режиме улучшения. (обычно выключенные) устройства как P-канального, так и N-канального типа, что позволяет использовать больший диапазон опций источника тока.

Сводка по источнику постоянного тока на полевом транзисторе

В этом руководстве мы видели в этом руководстве по источнику постоянного тока на полевом транзисторе , что благодаря характеристикам сопротивления канала полевые транзисторы могут использоваться для подачи постоянного тока в нагрузку и найти многочисленные приложения в электронных схемах, где требуется питание. фиксированный ток подключенной нагрузки.

Цепи постоянного тока

могут быть построены с использованием полевых транзисторов в режиме обеднения, а также с использованием BJT ( биполярных транзисторов) или комбинации этих двух устройств.Помните, что JFET - это устройство, управляемое напряжением, а не устройство, управляемое током, как биполярный транзистор.

Одной из основных характеристик полевого транзистора с переходным эффектом, или JFET, является то, что, поскольку это устройство деления, его проводящий канал всегда открыт, поэтому для его поворота требуется напряжение затвор-исток V GS . ВЫКЛЮЧЕННЫЙ".

Напряжение V GS (выкл.) , необходимое для N-канального JFET, находится в диапазоне от 0 вольт для полной проводимости канала до некоторого отрицательного значения, обычно нескольких вольт, необходимого для полного выключения JFET, таким образом замыкая канал.Таким образом, смещая вывод затвора полевого транзистора на некоторое фиксированное значение между нулем и V GS (off) , мы можем управлять шириной обедненных слоев каналов и, следовательно, его резистивным значением, пропуская фиксированную и постоянную величину тока. Для P-канального JFET его значение V GS (off) находится в диапазоне от 0 вольт для полной проводимости канала до некоторого положительного значения в несколько вольт для определенного значения V DS .

Регулирование и допуск постоянного тока для данного устройства JFET зависит от величины тока стока, I D , проходящего через канал.Чем меньше ток стока через конкретное устройство, тем лучше регулирование. Смещение JFET в диапазоне от 10% до 50% от его максимального значения I DSS улучшит регулировку и производительность устройства. Это достигается подключением внешнего сопротивления между выводами истока и затвора.

Резистор обратной связи затвор-исток, как показано выше, обеспечивает необходимое самосмещение полевого транзистора, позволяя ему работать в качестве источника постоянного тока при любом уровне тока значительно ниже его тока насыщения, I DSS .Это сопротивление внешнего источника, R S , может иметь фиксированное значение сопротивления или изменяться с помощью потенциометра.

Регулятор тока

JFET | Дискретные полупроводниковые схемы

ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

  • Полевой транзистор с одним N-канальным переходом, рекомендуются модели 2N3819 или J309 (каталожный номер Radio Shack № 276-2035 - модель 2N3819)
  • Две 6-вольтовые батареи
  • Один потенциометр 10 кОм, однооборотный, с линейным конусом (каталог Radio Shack № 271-1715)
  • Один резистор 1 кОм
  • Один резистор 10 кОм
  • Три 1.Резисторы 5 кОм

Для этого эксперимента вам понадобится N-канальный JFET, а не P-канал! Для эксперимента вам понадобится N-канальный JFET, а не P-канал!

Помните, что не все транзисторы имеют одинаковые обозначения выводов или выводов , даже если они имеют одинаковый внешний вид. От этого будет зависеть, как вы будете соединять транзисторы вместе и с другими компонентами, поэтому обязательно проверьте спецификации производителя (техническое описание компонентов), которые легко получить на веб-сайте производителя.

Помните, что на корпусе транзистора и даже в техническом описании производителя могут отображаться неправильные схемы идентификации клемм! Настоятельно рекомендуется дважды проверить идентификацию контактов с помощью функции «проверка диодов» мультиметра.

Для получения подробной информации о том, как определить клеммы соединительного полевого транзистора с помощью мультиметра, обратитесь к главе 5 тома «Полупроводники» (том III) этой серии книг.

СПРАВОЧНЫЕ ССЫЛКИ

Уроки электрических цепей , том 3, глава 5: «Переходные полевые транзисторы» Уроки электрических цепей , том 3, глава 3: «Диоды и выпрямители»

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

  • Как использовать JFET в качестве регулятора тока
  • Как JFET относительно невосприимчив к изменениям температуры

СХЕМА

ИЛЛЮСТРАЦИЯ

ИНСТРУКЦИЯ

Ранее в этой главе вы видели, как пару биполярных переходных транзисторов (BJT) можно использовать для формирования токового зеркала , при этом один транзистор будет пытаться поддерживать через него такой же ток, как если бы другой, уровень тока другого. устанавливается переменным сопротивлением.Эта схема выполняет ту же задачу по регулированию тока, но использует полевой транзистор с одним переходом (JFET) вместо двух BJT.

Два последовательных резистора R регулируют и R limit устанавливают точку регулирования тока, в то время как резисторы нагрузки и контрольные точки между ними служат только для демонстрации постоянного тока, несмотря на изменения сопротивления нагрузки. Чтобы начать эксперимент, прикоснитесь щупом к TP4 и отрегулируйте потенциометр по диапазону его хода.

При перемещении механизма потенциометра вы должны увидеть небольшой изменяющийся ток, показываемый вашим амперметром: не более нескольких миллиампер. Оставьте потенциометр в положении, дающем круглое число миллиампер, и переместите черный измерительный щуп измерителя в TP3.

Текущая индикация должна быть почти такой же, как и раньше. Переместите датчик к TP2, затем к TP1. Опять же, вы должны увидеть почти неизменное количество тока.

Попробуйте установить потенциометр в другое положение, чтобы получить другую индикацию тока, и прикоснитесь черным щупом измерителя к контрольным точкам с TP1 по TP4, отмечая стабильность показаний тока при изменении сопротивления нагрузки.Это демонстрирует текущий , регулирующий поведение этой схемы .

TP5 на конце резистора 10 кОм предназначен для значительного изменения сопротивления нагрузки. Подключение черного щупа вашего амперметра к этой контрольной точке дает общее сопротивление нагрузки 14,5 кОм, что будет слишком большим сопротивлением для транзистора, чтобы поддерживать максимальный регулируемый ток через него.

Чтобы испытать то, что я здесь описываю, прикоснитесь черным щупом к TP1 и настройте потенциометр на максимальный ток.Теперь переместите черный щуп к TP2, затем к TP3, затем к TP4.

Для всех этих положений контрольных точек ток будет оставаться примерно постоянным. Однако, когда вы прикоснетесь черным щупом к TP5, ток резко упадет. Почему? Потому что на этом уровне сопротивления нагрузки падение напряжения на транзисторе недостаточно для поддержания стабилизации.

Другими словами, транзистор будет насыщаться, поскольку он пытается обеспечить больший ток, чем позволяет сопротивление цепи.Переместите черный щуп обратно к TP1 и отрегулируйте потенциометр на минимальный ток.

Теперь прикоснитесь черным щупом к TP2, затем к TP3, затем к TP4 и, наконец, к TP5. Что вы замечаете в текущей индикации во всех этих точках? Когда точка регулирования тока настроена на меньшее значение, транзистор может поддерживать регулирование в гораздо большем диапазоне сопротивления нагрузки.

Важное замечание относительно схемы токового зеркала BJT состоит в том, что оба транзистора должны иметь одинаковую температуру, чтобы два тока были равными.Однако для этой схемы температура транзистора практически не имеет значения.

Попробуйте зажать транзистор между пальцами, чтобы нагреть его, отмечая ток нагрузки с помощью амперметра. После этого попробуйте охладить его, дуя на него.

Не только устраняется требование согласования транзисторов (из-за использования всего на один транзистор ), но также почти устраняются тепловые эффекты из-за относительной тепловой устойчивости полевого транзистора. Такое поведение также делает полевые транзисторы невосприимчивыми к тепловому разгоне; явное преимущество перед транзисторами с биполярным переходом.

Интересным применением этой схемы регулятора тока является так называемый диод постоянного тока . Описанный в главе «Диоды и выпрямители» тома III, этот диод вообще не является устройством с PN-переходом. Вместо этого это JFET с фиксированным сопротивлением, подключенным между выводами затвора и истока:

Нормальный диод с PN-переходом включен последовательно с JFET для защиты транзистора от повреждения напряжением обратного смещения, но в остальном средство регулирования тока этого устройства полностью обеспечивается полевым транзистором.

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

Схема с номерами узлов SPICE:

Netlist (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Регулятор тока JFET vsource 1 0 rload 1 2 4.5k j1 2 0 3 mod1 rlimit 3 0 1k .model mod1 njf .dc vsource 6 12 0.1 .plot dc i (vsource) .end 

SPICE не позволяет изменять значения сопротивления, поэтому, чтобы продемонстрировать регулирование тока этой схемы в широком диапазоне условий, я решил изменить напряжение источника с 6 до 12 вольт на 0.Шаги по 1 вольту. При желании вы можете установить для rload различные значения сопротивления и убедиться, что ток в цепи остается постоянным.

При предельном значении r 1 кОм регулируемый ток будет 291,8 мкА. Это текущее значение, скорее всего, будет , а не таким же, как ваш фактический ток цепи, из-за различий в параметрах JFET.

Многие производители предоставляют параметры модели SPICE для своих транзисторов, которые можно ввести в строке .model списка соединений для более точного моделирования схемы.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

FET Ограничитель тока 30A и обнаружение перегрузки

Я пробовал это с классическим двухконтактным [патент на сомнение], и это всего лишь «резистор разгона»; есть 3-х транзисторная версия, которая работает. Я смоделировал и построил все вышеперечисленное, но лучший вариант - это мощный MOSFET с большим радиатором. Если вы используете «аналоговый режим», вы рассеиваете много энергии. То, что я не пробовал, - это подход SMPS; «умное управление» не нужно, так как правильный регулятор заведомо сработает или сгорит.

Хорошо, чтобы превратить это в ответ: JFET, NO, MOSFET, YES. Он будет большой, я это сделал. Биполярные биполярные транзисторы являются устройствами тока и не выключаются так же хорошо, как устройства типа полевого транзистора напряжения. Полевые транзисторы JFET не производятся в диапазонах мощности, которые могли бы работать. Но полевые МОП-транзисторы доступны в «кирпичных» корпусах. Моей целью было 100А, и я использовал MOS, чтобы достичь этого. Блоки MOSFET и радиатор могут рассеивать отклоняемую мощность. Я говорю об устройствах на 1200 В / 100 А, используемых в мегаваттных ИБП, над которыми я работал.

Чтобы избежать высокого рассеивания мощности, потребуется метод SMPS [импульсный источник питания].При этом используется режим истинного выключения, а не рассеяние. Тем не менее, теплоотвод, отклоняющий теплоту в режиме ВКЛ, все равно должен куда-то уходить, поэтому большая вероятность не исчезнет.

Под «правильным регулятором» я подразумеваю схему, которая регулирует без внешнего «лица, принимающего решения» [CPU]. Многие из них выгорают из-за теплового разгона, когда выходят за рамки ограничений SOA [Safe Operating Area], таких как схема Doubt 2-terminal BJT [Bipolar junction Transistor]. Схема Doubt [Pat US3769572] выглядит многообещающей, но ее лучше всего оставить для приложений с током 20 мА или около того.Я пробовал их @> 1000X.

Другая проблема заключается в том, что в этих ограничителях в качестве чувствительного элемента используется последовательный резистор. Чтобы получить высокие токи, это чувство R переходит в миллиомную область. Вы можете или должны будете сделать свои собственные шунты, используя провод с отводами большого сечения, то есть сам вывод стока или эмиттера. Для подстройки сильноточного шунта вам понадобится миллиом или микрометр.

TNX 🙂

Применение

JFET | Источник постоянного тока | Чоппер

Привет, ученики, добро пожаловать в еще один эксперимент Proteus на Инженерные проекты. Ранее мы видели, что такое переходные полевые транзисторы. Сегодня мы узнаем о некоторых применениях переходных полевых транзисторов.

Непосредственно перед экспериментом полезно уточнить следующее:

Транзисторы - это трехполюсные униполярные устройства. Клеммы Junction Field Effect Transistor имеют следующие названия:

. Клеммы затвора являются общими как для источника, так и для стока.

Перед тем, как начать, давайте проясним некоторые понятия о переходных полевых транзисторах.

Резистор

Резистор - это электрическое устройство. мы определяем резисторы как:

«Резистор представляет собой двухполюсное пассивное электрическое устройство, которое показывает электрическое сопротивление и используется почти в каждой цепи.

Резисторы могут использоваться для уменьшения или управления потоком тока, завершения переходных линий и других подобных функций.

Напряжение отсечки

Основное определение напряжения отсечки:

«Напряжение, приложенное между стоком и источником, при котором максимальный ток протекает через цепь при условии, что напряжение затвора равно нулю, называется. P дюйм от напряжения.

, когда значение напряжений меньше, чем область отсечки, напряжение поступает в другую область, называемую омической областью полевого транзистора, и транзистор действует как резистор в этой области.

Управляющее напряжение

Управляющее напряжение переходного полевого транзистора определяется как:

«Управляющее напряжение - это напряжение транзисторов от затвора к истоку. Чтобы установить его значение, напряжение от затвора до источника делается отрицательным и обозначается как Vgs.”

Полевые транзисторы широко используются в мире электроники из-за их размера и производительности. Мы применим полевые транзисторы JFET при создании двух схем:

  1. Источник постоянного тока.
  2. Чоппер.

Во время реализации схем мы будем использовать полевой транзистор N-типа из-за лучшего потока электронов в этом виде полевого транзистора. В JFET N-типа основными носителями заряда являются электроны.

Я объясню это одно за другим.

Источник постоянного тока

Полевой транзистор можно использовать в качестве источника постоянного тока.Это означает, что если JFET спроектированы таким образом, они могут обеспечивать постоянный ток через нагрузочный резистор, независимо от того, какой ток подается на его вход. Такая возможность обусловлена ​​почти горизонтальной линией на характеристиках стока полевого транзистора.

Напомним, что резистор - это устройство с двумя выводами, которое уменьшает ток, делит напряжение или регулирует сигнальные линии. Но тщательно контролируемый полевой транзистор можно использовать для преодоления сопротивления через резистор, который находится между полевым транзистором и источником напряжения.

В цепи, когда Vgs больше, чем напряжение отсечки. математически

V-IR> | V |

Реализация в Proteus ISIS

Чтобы создать схему для источника постоянного тока, нам понадобятся следующие компоненты:

Требуемый компонент:

  1. Переходный полевой транзистор
  2. Резистор
  3. Клемма заземления
  4. Источник постоянного тока
  5. Подключение проводов

Процедура

  • Запустите программу Proteus.
  • Выберите полевой транзистор и резистор из библиотеки Pick с помощью кнопки «P».
  • Возьмите наземный терминал из библиотеки терминалов на самой левой вкладке.
  • Вывести источник постоянного тока из «Генераторного режима».
  • Для измерения силы тока мы добавим амперметр постоянного тока из «Режима виртуального инструмента».

Это шаг, на котором схема должна быть устроена так, чтобы получить требуемый выход.

  • Подключите источник к сливу через провод.
  • Соедините клемму заземления с проводом, соединяющим источник и затвор.
  • Подключите компоненты в рабочей области в соответствии со схемой:

  • Дважды щелкните аккумулятор и присвойте ему значение 9 вольт .
  • Дважды щелкните вольтметр и измените диапазон дисплея на миллиампер.
  • Точно так же дважды коснитесь резистора и присвойте ему значение 1 кОм Ом.

ПРИМЕЧАНИЕ: вы также можете использовать переменный резистор.

  • Запишите значения амперметра.
  • При первых наблюдениях измените номинал резистора на 1 кОм.
  • Нажмите кнопку воспроизведения.

Амперметр показывает значение 0,40 милиампер .

  • Снимите семь отсчетов, изменив номинал резистора, и составьте таблицу.
    10 кОм 4 3
    Сопротивление Ток
    1 кОм 0,40 * 10 -3
    2 кОм 0.40 * 10 -3
    3 кОм 0,40 * 10 -3
    4 кОм 0,40 * 10 -3
    6 кОм 0,40 * 10 -3
    7 кОм 0,40 * 10 -3

  • 905 значение батареи и запись значений.

    Прерыватель

    Прерыватель - это применение транзистора, которое показывает нам выходной сигнал в виде прямоугольной волны. Мы определяем прерыватель как:

    «Прерыватель - это электронная схема, используемая для приема усиленного постоянного тока с использованием какого-либо типа транзистора или другого устройства».

    Для создания цепи прерывателя можно использовать любой тип транзистора, например, биполярный переходной транзистор. Но полевые транзисторы с переходным эффектом лучше подходят для этой цели из-за полевого управления полевыми транзисторами.

    В чопперах полевой транзистор действует как переменное сопротивление.

    Давайте поспешим к Proteus, чтобы применить схему.

    Реализация прерывателей в Proteus ISIS

    • Запустите свой Proteus ISIS.

    Необходимый материал

    1. Переходный полевой транзистор
    2. Резистор
    3. Источник переменного тока
    4. Земля
    5. Осциллограф
    • Выберите Vsine, Resistor и JFET из библиотеки Pick с помощью кнопки «P».
    • Возьмите форму осциллографа «Режим виртуального инструмента» и закрепите его прямо над контуром.
    • Подключите канал A сразу после источника переменного тока, а канал B - с источником.
    • Поместите клемму заземления под цепью, выбрав ее в «Терминале».
    • Измените значение сопротивления, подключенного к сети переменного тока, на 100 Ом .
    • Измените значение сопротивления, подключенного к источнику, на 200 Ом.
    • Задайте частоту 1000 Гц и амплитуду 12 В до синусоиды.
    • Присоединитесь к цепи в соответствии с изображением, приведенным ниже:

    Похоже, наша цепь теперь завершена.

    • Нажмите кнопку Play, чтобы смоделировать график.
    • Установите значение канала A на 1 В .
    • Установите канал B на 20V .

    Выход схемы:

    Это преобразование важно в некоторых схемах. Выходной сигнал Chopper имеет форму прямоугольных волн.

    Таким образом, сегодня мы узнали о JFET вместе с приложениями JFET в качестве постоянного тока и прерывателя и увидели их реализацию в Proteus.

    Пособие по проектированию схем на полевых транзисторах »Примечания по электронике

    Полевые транзисторы

    широко используются как в дискретных схемах, так и в схемах IC, где они обеспечивают усиление по напряжению и высокие входные сопротивления.


    Конструкция схемы полевого транзистора, полевого транзистора Включает:
    Основы проектирования схемы полевого транзистора Конфигурации схемы Общий источник Общий дренажный / истоковый повторитель Общие ворота


    Полевые транзисторы используются в схемотехнике, поскольку они способны обеспечить очень высокие уровни входного импеданса наряду со значительным усилением напряжения.

    В отличие от биполярного транзистора, который является устройством с контролем тока, полевой транзистор управляется напряжением. Это приводит к тому, что конструкция схем на полевых транзисторах сильно отличается от конструкции схем на биполярных транзисторах.

    Однако схемы с усилением по току и напряжению все еще могут быть спроектированы и приняты аналогичные форматы схем.

    Основы схемы полевого транзистора

    При рассмотрении использования схемы полевого транзистора необходимо учитывать технологию полевого транзистора, и тип полевого транзистора будет наиболее подходящим.

    Примечание о технологии полевых транзисторов:

    Полевой транзистор FET - это трехконтактное устройство, обеспечивающее усиление по напряжению. Имея высокий входной импеданс, электрическое поле рядом с входным выводом, называемым затвором, изменяет ток, протекающий в так называемом канале между выводами, 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 попадают основные носители, т.е.е. at действует как источник носителей для устройства. Ток, поступающий в канал через источник, обозначается IS.
    • Дренаж: Дренаж - это электрод полевого транзистора, через который большинство носителей покидают канал, т.е. они выводятся из канала. Обычный ток, поступающий в канал через сток, обозначается буквами ID. Также напряжение от стока к источнику часто обозначается буквами VDS
    • .
    • Gate: Gate - это терминал, который контролирует проводимость канала, следовательно, уровень напряжения на затворе управляет током, протекающим на выходе устройства.
    Обозначение соединительной схемы полевого транзистора

    Расчетные параметры схемы полевого транзистора

    При разработке схемы на полевом транзисторе 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 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 схемы полевого транзистора по току. Может потребоваться подать на нагрузку ток высокого уровня.
    • Входное сопротивление: Это импеданс, который будет видеть предыдущий каскад, когда он подает сигнал на эту 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 на полевом транзисторе управляет схемой с низким импедансом, то ее выход должен иметь низкий импеданс, в противном случае на выходном каскаде транзистора произойдет большое падение напряжения.
    • Частотная характеристика: Частотная характеристика - еще один важный фактор, который влияет на конструкцию схемы полевого транзистора. Конструкции схем низкочастотных или звуковых транзисторов могут отличаться от схем, используемых для радиочастотных приложений.Кроме того, на выбор номиналов полевого транзистора и конденсатора в конструкции схемы будет сильно влиять требуемая частотная характеристика.
    • Напряжение питания и ток: Во многих цепях напряжение питания определяется тем, что доступно. Также ток может быть ограничен, особенно если законченная конструкция схемы 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 могут использоваться в процессе проектирования схемы.

    В таблице ниже определены некоторые из различных типов и характеристик, с которыми можно встретиться.


    Полевые транзисторы для использования в схемотехнике
    Характеристика Детали
    N-канал Полевой транзистор с N-каналом имеет канал, сделанный из полупроводника N-типа, в котором основными носителями являются электроны.
    P-канал Полевой транзистор с P-каналом имеет канал, сделанный из полупроводника P-типа, в котором основными носителями являются дырки.
    J-FET J-FET или переходной полевой транзистор - это форма полевого транзистора, в котором затвор формируется с помощью диодного перехода на канал. Изоляция поддерживается за счет того, что диодный переход остается смещенным в обратном направлении при работе в цепи. Ключевым требованием конструкции схемы полевого транзистора является обеспечение того, чтобы переход оставался смещенным в обратном направлении для удовлетворительной работы.
    МОП-транзистор Полевой транзистор этого типа основан на оксиде металла между затвором и каналом.Он предлагает очень высокое входное сопротивление.
    МОП-транзистор с двойным затвором Как следует из названия, у этой формы полевого МОП-транзистора есть два затвора. В схемотехнике на полевых транзисторах это дает дополнительные возможности.
    Режим улучшения Полевые транзисторы в режиме расширения выключены при нулевом напряжении затвор-исток. Они включаются путем вытягивания напряжения затвора в направлении напряжения стока, то есть по направлению к шине питания, что положительно для устройств с N-каналом и отрицательно для устройств с P-каналом.Другими словами, подтягивая напряжение затвора к напряжению стока, количество несущих в активном слое канала увеличивается.
    Режим истощения В режиме истощения MOSFET устройство обычно включено при нулевом напряжении затвор-исток. Любое напряжение затвора в направлении напряжения стока будет иметь тенденцию к истощению активной области канала носителей и уменьшению протекающего тока.

    При проектировании схемы полевого транзистора сначала необходимо выбрать требуемый тип полевого транзистора.Факторы, включая базовый тип полевого транзистора, включая то, является ли он транзисторным полевым транзистором или полевым МОП-транзистором или другим типом, а также тип режима и другие факторы, должны быть определены до того, как можно будет приступить к проектированию схемы.

    Другие схемы и схемотехника:
    Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
    Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

    Полевой транзистор - Academic Kids

    От академических детей

    (Перенаправлен с полевого транзистора)

    Полевой транзистор (FET) - это транзистор, который использует электрическое поле для управления формой и, следовательно, проводимостью «канала» в полупроводниковом материале. Полевые транзисторы, как и все транзисторы, можно рассматривать как резисторы с регулируемым напряжением.

    Большинство полевых транзисторов изготавливаются с использованием обычных методов обработки объемных полупроводников, использующих монокристаллическую полупроводниковую пластину в качестве активной области или канала.С другой стороны, канальная область TFT (тонкопленочных транзисторов) представляет собой тонкую пленку, которая наносится на подложку (часто на стекло, поскольку в основном TFT применяются в жидкокристаллических дисплеях). Для получения дополнительной информации о TFT см. Тонкопленочный транзистор; оставшаяся часть этой статьи посвящена транзисторам, наиболее часто используемым в интегральных схемах. В биологии потенциалзависимые ионные каналы работают аналогичным образом.

    Клеммы в полевом транзисторе называются затвор , сток и исток .(Сравните это с терминологией, используемой для BJT: база , коллектор и эмиттер .) Напряжение, приложенное между выводами затвора и истока, модулирует ток между истоком и стоком.

    Типы полевых транзисторов

    Полевой транзистор проще по концепции, чем биполярный транзистор, и может быть изготовлен из самых разных материалов. Различные типы полевых транзисторов можно различить по способу изоляции между каналом и затвором:

    • MOSFET (Полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) использует изолятор (обычно SiO 2 ).
      • Силовые полевые МОП-транзисторы становятся менее проводящими с повышением температуры, и поэтому по умолчанию их можно рассматривать как n-канальные устройства. Кремниевые устройства, в которых используются электроны, а не дырки, поскольку большинство носителей заряда немного быстрее и могут пропускать больший ток, чем их аналоги P-типа. То же самое и в устройствах на основе GaAs.
    • JFET (Junction Field-Effect Transistor) использует p-n переход.
    • Замена p-n-перехода барьером Шоттки дает MESFET (полевой транзистор металл-полупроводник), используемый для GaAs и других полупроводниковых материалов III-V.
    • Использование технологии запрещенной зоны в тройном полупроводнике, таком как AlGaAs, дает HEMT (транзистор с высокой подвижностью электронов), также называемый HFET (гетероструктурный полевой транзистор). Полностью обедненный широкозонный материал образует изоляцию.
    • Тонкопленочные транзисторы (TFT) используют в качестве материала корпуса аморфный кремний, поликристаллический кремний или другие аморфные полупроводники.
    • Подгруппа TFT - это полевые транзисторы с органическим эффектом, которые основаны на органических полупроводниках и часто используют органические изоляторы затвора и электроды.
    • Область канала любого полевого транзистора либо легирована для получения полупроводника n-типа, что дает устройство с «N-каналом», либо с p-типом, чтобы получить устройство с «P-каналом». Легирование определяет полярность работы затвора.

    Работа полевого транзистора

    Форма проводящего канала в полевом транзисторе изменяется, когда на вывод затвора подается потенциал (потенциал относительно источника или стока). В N-канальном устройстве отрицательный потенциал затвора вызывает расширение изолирующей зоны истощения. размер и посягать на канал сбоку, сужая канал.Если зона истощения закрывает канал, сопротивление канала становится очень большим, и полевой транзистор полностью отключается. При низких напряжениях ширина канала остается большой, а небольшие изменения потенциала затвора изменяют сопротивление канала. Это режим работы полевого транзистора с переменным сопротивлением. Этот режим используется, но не используется в обычных схемах усилителя.

    Если большая разность потенциалов применяется между клеммами Источника и Сток, это создает значительный ток в канале и создает плавный градиент потенциала, распределенного по каналу.Это также приводит к тому, что форма зоны истощения становится асимметричной, и одна часть канала становится узкой, а другая часть расширяется. Если напряжение достаточно велико, зона истощения начинает полностью закрывать канал. Затем происходит что-то необычное: возникает отрицательная обратная связь, поскольку закрытый канал приведет к плоскому градиенту потенциала и симметричной зоне истощения, которая откроет канал. Зона истощения не закрывается полностью, а формирует очень узкий канал переменной длины.Любая попытка увеличения тока канала изменит форму зоны истощения, удлиняя канал. Это увеличивает сопротивление канала и предотвращает увеличение значения тока. Этот режим работы называется «режим защемления». В этом режиме работы канал работает как источник постоянного тока, а не как резистор. Значение тока в канале относительно не зависит от напряжения, приложенного между источником и стоком. Значение напряжения затвора определяет значение постоянного тока в канале.

    Использует

    Наиболее распространенным применением сегодня полевых МОП-транзисторов является интегральная схема КМОП (дополнительный металлический оксидный полупроводник), которая является основой для большинства цифровых электронных устройств. В них используется схема с тотемными полюсами, при которой один транзистор (подтягивающий или понижающий) включен, а другой выключен. Следовательно, отсутствует сток постоянного тока, за исключением перехода из одного состояния в другое, которое очень короткое. Как уже упоминалось, затворы являются емкостными, и зарядка и разрядка затворов каждый раз, когда транзистор переключает состояние, является основной причиной утечки энергии.

    C в CMOS означает «дополнительный». Подтягивание - это устройство с P-каналом (с использованием отверстий для мобильного носителя заряда), а подтягивание - это N-канал (носители электронов). Это позволяет подключать клеммы управления, но ограничивает скорость схемы до скорости более медленного P-устройства (в кремниевых устройствах). Биполярные решения для двухтактной схемы включают «каскодирование» с использованием источника тока для нагрузки. Цепи, в которых используются как униполярные, так и биполярные транзисторы, называются Bi-Fet. Недавняя разработка получила название «вертикальный П.«Раньше пользователям чипов BiFet приходилось довольствоваться относительно плохими (горизонтальными) полевыми транзисторами P-типа. Это уже не так и позволяет создавать более тихие и быстрые аналоговые схемы.

    Полевые транзисторы

    могут переключать сигналы любой полярности, если их амплитуда значительно меньше размаха затвора, поскольку устройства (особенно DFET без паразитных диодов) в основном симметричны. Это означает, что полевые транзисторы являются наиболее подходящим типом для аналогового мультиплексирования. Используя эту концепцию, можно, например, сконструировать твердотельный микшерный пульт.

    Силовой МОП-транзистор имеет «паразитный диод» (с обратным смещением), обычно шунтирующий канал проводимости, который имеет половину токовой емкости канала проводимости. Иногда это полезно при управлении двухкатушечными магнитными цепями (для защиты от всплесков напряжения), но в других случаях это вызывает проблемы.

    Высокий импеданс затвора полевого транзистора делает его довольно уязвимым для электростатических повреждений, хотя обычно это не проблема после установки устройства.

    Более новым устройством для управления мощностью является биполярный транзистор с изолированным затвором, или IGBT.Он имеет структуру управления, подобную полевому МОП-транзистору, соединенному с биполярным основным проводящим каналом. Они стали довольно популярными.

    Внешние ссылки


    ca: лагерь Transistor d'efecte da: Felteffekttransistor de: Feldeffekttransistor id: Транзистор эфек медан nl: транзистор Veldeffect ja: 電 界 効果 ト ラ ン ジ ス タ sl: Транзистор на польский пояс sv: Flteffekttransistor

    Полевой транзистор

    Полевые транзисторы

    Функция полевых транзисторов аналогична биполярным транзисторам (особенно того типа, который мы обсудим здесь), но есть несколько отличий.У них есть 3 клеммы, как показано ниже. Два основных типа полевых транзисторов - это полевые МОП-транзисторы с каналом «N» и «P». Здесь мы будем обсуждать только канал N. Фактически, в этом разделе мы будем обсуждать только наиболее часто используемый N-канальный MOSFET в режиме улучшения (полевой транзистор с металлическим оксидом и полупроводником). Его схематический символ находится 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 с помощью высокочастотных импульсных сигналов постоянного или переменного тока может протекать небольшой ток. Напряжение «включения» транзистора (также известное как пороговое) изменяется 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 до источника) редко превышает 3.5 вольт. Когда полевые транзисторы используются в импульсных источниках питания, Vgs обычно намного выше (от 10 до 15 вольт). Когда напряжение затвора превышает примерно 5 вольт, он становится более эффективным (что означает меньшее падение напряжения на полевом транзисторе и, следовательно, меньшее рассеивание мощности).

    Обычно используются полевые МОП-транзисторы, поскольку их легче использовать в сильноточных устройствах (например, в импульсных источниках питания в автомобильных аудиоусилителях). Если используется биполярный транзистор, часть тока коллектор / эмиттер должна проходить через базовый переход.В ситуациях с большим током, когда имеется значительный ток коллектора / эмиттера, ток базы может быть значительным. Полевые транзисторы могут работать при очень небольшом токе (по сравнению с биполярными транзисторами). Единственный ток, который течет из схемы возбуждения, - это ток, протекающий из-за емкости. Как вы уже знаете, когда на конденсатор подается постоянный ток, возникает первоначальный скачок, после чего ток прекращается. Когда затвор полевого транзистора приводится в действие высокочастотным сигналом, схема управления по существу видит только небольшой конденсатор.Для низких и промежуточных частот схема возбуждения должна обеспечивать небольшой ток. На очень высоких частотах или когда задействовано много полевых транзисторов, схема возбуждения 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 заряжать его и ожидать, что полевой транзистор будет продолжать проводить бесконечно долго, но он будет продолжать проводить до тех пор, пока напряжение на затворе не станет ниже порогового напряжения.Вы можете убедиться, что он отключился, если вы подключите понижающий резистор между затвором и истоком.

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

    Пакеты транзисторов:
    В полевых МОП-транзисторах используются те же «корпуса», что и в биполярных транзисторах. Наиболее распространенным в автомобильном стереоусилителе в настоящее время является корпус TO-220 (показан выше).


    Транзистор в цепи:
    На этой диаграмме показаны напряжения на резисторе и полевом транзисторе с 3 различными 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 включен, на обоих компонентах возникает падение напряжения (напряжения). Когда транзистор полностью открыт (напряжение затвора около 4,5 В), полное напряжение питания подается на резистор, и падение напряжения на транзисторе практически отсутствует. Это означает, что оба вывода (исток и сток) транзистора имеют по существу одинаковое напряжение.Когда транзистор полностью включен, нижний вывод резистора эффективно заземлен.

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

    В следующей демонстрации вы можете увидеть, что к лампе подключен полевой транзистор.Когда напряжение ниже примерно 3 вольт, лампа полностью выключена. Нет тока, протекающего через лампу или полевой транзистор. Когда вы нажимаете кнопку, вы можете видеть, что конденсатор начинает заряжаться (на это указывает восходящая желтая линия и точка пересечения кривой заряда конденсатора с белой линией, идущей слева направо. Когда полевой транзистор начинает включаться, напряжение на стоке начинает падать (обозначено падающей зеленой линией и точкой, где зеленая кривая пересекается с белой линией).Когда напряжение затвора приближается к пороговому напряжению (~ 3,5 В), напряжение на лампе начинает расти. Чем больше он увеличивается, тем ярче становится лампа. После того, как напряжение на затворе достигнет примерно 4 вольт, вы увидите, что лампочка полностью горит (на ее выводах есть полные 12 вольт). Напряжение на полевом транзисторе практически отсутствует. Вы должны заметить, что полевой транзистор полностью выключен при падении напряжения ниже 3 вольт и полностью включен после четырех вольт. Любое напряжение затвора ниже 3 вольт практически не влияет на полевой транзистор.Выше 4 вольт мало влияет.


    Расчетные параметры

    Напряжение затвора:
    Как вы уже знаете, полевой транзистор управляется напряжением затвора. Для этого типа полевого МОП-транзистора максимальное безопасное напряжение на затворе составляет ± 20 вольт. Если на затвор (относительно источника) будет подано более 20 вольт, это приведет к разрушению транзистора. Транзистор будет поврежден, потому что напряжение будет проходить через изолятор, который отделяет затвор от части стока / истока полевого транзистора.

    Сила тока:
    Как и биполярные транзисторы, каждый полевой транзистор предназначен для безопасной передачи определенного количества тока.Если температура полевого транзистора выше 25 ° C (примерно 77 градусов по Фаренгейту), "безопасные" токонесущие способности транзистора будут уменьшены. Безопасная рабочая зона (S.O.A) продолжает уменьшаться при повышении температуры. Когда температура приближается к максимальной безопасной рабочей температуре, номинальный ток транзистора приближается к нулю.

Author:

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *