Получайте на почту подборку новых самоделок. Никакого спама, только полезные идеи!

*Заполняя форму вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

Мощный лабораторный блок питания с MOSFET транзистором на выходе своими руками

В предыдущей статье мы рассматривали схемы ЗУ с использованием в качестве силового ключа мощные p-n-p или n-p-n транзисторы. Они позволяли получить достаточно большой ток при небольшом количестве радиодеталей, но  у используемых биполярных транзисторов имеется существенный недостаток…

— это большое падение напряжения коллектор-эмиттер в режиме насыщения, достигающее 2 … 2,5 В у составных транзисторов, что приводит к их повышенному нагреву и необходимости установки транзисторов на большой радиатор.

Гораздо экономичней вместо биполярных транзисторов устанавливать силовые МОП (MOSFET) транзисторы, которые при тех же токах имеют гораздо меньшее (в 5 -10 раз) падение напряжения на открытом переходе сток-исток. Проще всего вместо силового p-n-p транзистора установить мощный p-канальный полевой транзистор, ограничив с помощью дополнительного стабилитрона напряжение между истоком и затвором на уровне 15В. Параллельно стабилитрону подключается резистор сопротивлением около 1 кОм для быстрой разрядки ёмкости затвор-исток.

Гораздо более распространены и доступней силовые n- канальные МОП транзисторы, но принципиальная схема устройства с такими транзисторами несколько усложняется, т.к. для полного открытия канала сток-исток на затвор необходимо подать напряжение на 15 В выше напряжения силовой части. Ниже рассмотрена схема такого устройства.

Мощный лабораторный блок питания 1,5 -30В, 0-5А на MOSFET транзисторе

Основа конструкции мало отличается от ранее рассмотренных устройств на биполярных силовых транзисторах. С помощью конденсаторов С1-С3 и диодов VD1-VD5 в схеме формируется повышенное на 15 В напряжение, которое с помощью транзисторов VT2, VT3 подаётся на затвор полевого транзистора VT1.

В схеме желательно использовать MOSFET с наиболее низким сопротивлением открытого канала, но максимальное допустимое напряжение этих транзисторов должно быть в 1,5 — 2 раза выше напряжения силовой цепи. В качестве диода VD8 желательно использовать диоды с барьером Шоттки с рабочим напряжением выше максимального в силовой цепи, в крайнем случае можно использовать КД213А или КД2997, КД2799, но их придётся установить на небольшой радиатор. Требования к изготовлению накопительного дросселя DR1 такие же как и в зарядных устройствах с биполярными ключевыми транзисторами.

При отсутствии подходящего проволочного резистора, используемого в качестве токового шунта R17 схему можно доработать, используя небольшой отрезок манганинового провода диаметром 2 мм или мощные проволочные резисторы сопротивлением 0,01 …0,05 Ом.

Следующая схема имеет нормализацию напряжения на токовом шунте и усилителя на ОУ.

Лабораторный блок питания с усилителем-нормализатором напряжения шунта

Предлагаемая схема отличается от описанной, выше наличием операционного усилителя DA2, что позволяет можно использовать как любой проволочный резистор сопротивлением 0,01 … 0,05 Ом и мощностью 1 — 2 Вт, так и кусок подходящего нихромового или манганинового провода диаметром 1,5 … 2 мм.

Операционный усилитель усиливает напряжение шунта до уровня, необходимого для нормальной работы компаратора микросхемы DA1. Коэффициент усиления ОУ DA2 определяется соотношением сопротивлений резисторов R15 и R18 и определяется из условия получения на выходе ОУ напряжения 0,5 … 3 В при выбранном максимальном выходном токе устройства.

Выходной ток регулируется переменным резистором R4, максимальное напряжение на движке которого должно быть равно напряжению на выходе ОУ DA2 при максимальном рабочем токе. Сопротивление переменного резистора R4 может быть любым в пределах 1 … 100 К, а максимальное напряжение на его движке определяется сопротивлением резистора R6.

Схема позволяет получить гораздо больший выходной ток, чем выбранный автором — максимальная величина тока определяется мощностью силового трансформатора, элементами силовой цепи и настройкой узла ограничения выходного тока. В качестве DA2 может быть использован практически любой доступный операционный усилитель, например КР140УД1408, КР140УД608, КР140УД708, mA741 и т.д.

Конденсатор частотной коррекции C9 может отсутствовать при использовании ОУ, не требующих его использования. В случае использования ОУ типа КР140УД1408 (LM308) его припаивают между выводами 1 и 8, у других ОУ выводы могут быть иными.

Лабораторный блок питания отличается от ранее описанного зарядного устройства гораздо большим максимальным выходным напряжением. Автором выбрано напряжение 30В, но если использовать трансформатор с большим выходным напряжением и применить более высоковольтные силовые элементы, можно получить гораздо более высокие значения.

Регулировка выходного напряжения осуществляется переменным резистором R16, сопротивление которого может быть в пределах 3,3 … 100кОм. Верхний предел выходного напряжения определяется сопротивлением резистора R17 из расчёта получения напряжения 1,5 В на движке переменного резистора R16 в его нижнем, по схеме, положении.

Схему можно упростить, исключив регуляторы тока и напряжения, а также измерительную головку, если устройство будет использоваться только для зарядки одного типа аккумуляторов. Вместо переменного резистора — регулятора выходного напряжения на печатной плате установлен многооборотный подстроечный резистор R15, а ограничение выходного тока задаётся делителем на резисторах R4, R5.

Для исключения выхода из строя диода VD11 при случайной переполюсовке аккумулятора установлен предохранитель FU2. В качестве транзисторов VT2, VT3 можно использовать любые маломощные транзисторы соответствующей структуры на напряжение 60В и ток коллектора 100мА, например КТ209Е, КТ3102Б и т.д.

В авторском варианте схема настраивалась на выходной ток 3,0 А, но его легко повысить до 6А и более, уменьшив номинал резистора R13 до 5,0 кОм.

Внешний вид платы и расположение элементов:

Предложенная схема лабораторного блока питания можно дополнить узлом защиты нагрузки от неконтролируемого повышения выходного напряжения, например, при пробое выходного транзистора или неисправности в схеме. Смотрите следующую схему:

ЛАБОРАТОРНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ С ЗАЩИТОЙ

Предлагаемый лабораторный блок питания отличается от схемы, выше наличием узла защиты нагрузки от повышенного напряжения. При включении блока питания напряжение на его выходе отсутствует, что исключает случайный выход из строя подключенной нагрузки из-за начального несоответствия установленного напряжения и требуемого. Узел ручного включения / отключения нагрузки собран на транзисторах VT5, VT7 и реле K1.

Узел работает следующим образом: в исходном состоянии транзисторы VT5, VT7 заперты и реле К1 обесточено. При кратковременном нажатии на кнопку SB1 высокий потенциал на коллекторе VT7 через резистор R30 и конденсатор С11 открывает VT7 — реле К1 срабатывает, а протекающий через резистор R33 ток катушки реле открывает транзистор VT5, который через резистор R26 удерживает транзистор VT7 в открытом состоянии длительное время. На лицевой панели блока питания зажигается светодиод HL3 «НАГРУЗКА», а контакты реле К1 коммутируют выходное напряжение на выходные клеммы.

В этом состоянии на коллекторе транзистора VT7 низкий потенциал, а на коллекторе VT5 высокий. Конденсатор C10 через резистор R19 заряжается до напряжения 35В, плюсом к нижней, по схеме, обкладке и минусом к базе транзистора VT7. При повторном нажатии кнопки SB1 через резистор R30 и конденсатор С10 к базе VT7 прикладывается отрицательное напряжение — транзистор запирается, отключается реле К1, снимая напряжение с нагрузки, запирается транзистор VT5 и схема приходит в исходное состояние до следующего нажатия кнопки SB1.

Защита от нештатного повышения выходного напряжения работает следующим образом: при нормальном режиме работы напряжение на движке переменного резистора R20 всегда будет равно 1,5 В, независимо от его положения, так как схема управления на микросхеме DA1 сравнивает его с опорным на выводе 15, которое определяется параметрами делителя напряжения на резисторах R13 и R8. При неисправности в схеме это напряжение может превысить уровень 1,5 В, транзистор VT4 через резисторный делитель R15, R16 откроется, а транзистор VT7 закроется, отключив выходное реле К1. При длительной аварийной ситуации будет гореть светодиод HL2 «АВАРИЯ», а реле К1 кнопкой SB1 включаться не будет.

Защита также сработает при быстром вращении оси переменного резистора R20 в сторону уменьшения выходного напряжения, что позволяет быстро отключить нагрузку, если случайно было установлено его недопустимо высокое значение.

Схема также защищает элементы устройства от протекания большого тока при переполюсовке заряжаемого аккумулятора. Если аккумулятор ошибочно подключен минусовым выводом к плюсовой клемме блока питания, то через диод VD15 и резистор R31 откроется транзистор VT6, загорится светодиод HL2 «АВАРИЯ», а реле К1 не будет включаться кнопкой SB1, что предотвращает выход из строя контактов реле К1, конденсатора С9, катушки дросселя DR1 и диода DV10.

Очень важно вначале подключить заряжаемый аккумулятор, а затем нажать кнопку «ПУСК» для начала зарядки, в противном случае, при переполюсовке аккумулятора, перегорит предохранитель FU2.

Перед нажатием кнопки «ПУСК» движком переменного резистора R20 следует установить выходное напряжение блока питания равным его значению при полностью заряженном аккумуляторе, например, для свинцового 12В аккумулятора следует установить 14,8В. Если напряжение на выходе блока питания установить ниже, чем напряжение заряжаемого аккумулятора, то, сразу после пуска, реле К1 обесточится, отключив нагрузку, а светодиод HL2 «АВАРИЯ» кратковременно загорится.

Настройка схемы управления описана на предыдущей странице, а конструктивное исполнение накопительного дросселя приведено в предыдущих публикациях раздела зарядных устройств. Транзистор VT1 и диоды VD7, VD10 следует установить на небольшие радиаторы, площадь которых зависит от выбранного максимального рабочего тока.

Параметры силового трансформатора полностью определяются максимальными значениями выходного тока и напряжения — его мощность должна быть не менее, чем на 20% выше максимальной выходной мощности блока питания на нагрузке.

Почти все элементы схемы размещены на печатной плате, внешний вид которой изображен на рисунке. Отдельно установлен силовой трансформатор, измерительный прибор, выключатель питания, регуляторы тока и напряжения, кнопка пуска, предохранители, выходные клеммы и светодиодные индикаторы. На плате предусмотрена установка различных типов диодов в качестве VD10, даже двойных.

Все предложенные схемы можно использовать также и в качестве зарядных устройств.

Источник:kravitnik.narod.ru

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ

П О П У Л Я Р Н О Е:

• Автомобильные зарядные устройства. Схемы. Принцип работы.

Обзор распространённых автомобильных зарядных устройств. Принципиальные схемы. Назначение. Устройство. Возможные неисправности.

Зима. Мороз. Двигатель запускается тяжело. Резко возрастает нагрузка на аккумулятор. А за состоянием аккумулятора нужно следить: проверять и вовремя его заряжать. Летом АКБ редко когда приходится заряжать, часто хватает зарядки от генератора автомобиля, а зима — это время частого использования автомобильных зарядных устройств.

Подробнее…

• Схема стабилизатора напряжения сети

Стабилизатор представ­ляет собой сетевой авто­трансформатор, отводы обмотки которого пере­ключаются автоматичес­ки в зависимости от величины напряжения в электросети.

Стабилизатор позво­ляет поддерживать вы­ходное напряжение на уровне 220V при измене­нии входного от 180 до 270 V. Точность стабили­зации 10V. Подробнее…

• Автомобильный адаптер для ноутбука

Когда я выезжаю на машине, беру с собой ноутбук…

Однажды наткнулся на одном радиолюбительском сайте статью о том, как сделать автомобильный адаптер для ноутбука.

Несложная схема (см. ниже) — одна микросхема и пара транзисторов…

Подробнее…

Популярность: 9 082 просм.

irfz44n транзистор характеристики, аналоги, DataSheet на русском

Характеристики полевого МОП-транзистора irfz44n указанные производителем в datasheet, говорят что он является мощным устройством на кремниевой основе с индуцированным n-каналом (нормально закрытым) изолированным затвором. Характеризуется такими предельными значениями: напряжение между контактами сток-исток до 55 В, током стока до 49 А, очень маленьким проходным сопротивлением 17.5 мОм и мощностью рассеивания до 94 Вт. Рабочая температура может достигать 175 °C. Разработан специально для низковольтных, высокоскоростных коммутационных систем источников питания, преобразователей и органы управления двигателями.

Назначение контактов

Перед применением полевка обычно уточняют его структуру, графическое обозначение и назначение контактов. Основой такого транзистора является появляющийся в полупроводнике, с двумя выводами (сток и исток), канал с электронной проводимостью (n-типа). Ширина этого канала зависит от величины подаваемого на затвор (третий вывод) отпирающего напряжения.

Графическое обозначение

Рассмотрим графическое обозначение. Канал типа-n рисуется пунктирной чертой, между примыкающими к нему линиями истока и стока. Стрелка, направленная на пунктирную черту, указывает на электронную проводимость прибора. Выводы канала обозначаются буквами: С-сток (D-drain), И-исток (S-source). Затвор, регулирующий сопротивление канала, обозначается буквой З (G-gate). В обозначении есть так называемый “паразитный” диод, он подключен к истоку анодом. Все графическое обозначение помещено в круг, символизирующий корпус прибора.

Распиновка

Наиболее широкое распространение rfz44n получил в пластиковом корпусе ТО220 с крепежным отверстием под винт, разработанном специально для дискретных мощных полевых транзисторов компанией International Rectifier. Цоколевка irfz44n, если смотреть на лицевую сторону, следующая: слева затвор (G), справа исток (S). Средний вывод является стоком (D), электрически соединенным с встроенным в корпус радиатором. Под маркой International Rectifier существуют экземпляры в корпусах D²PAK и ТО-262 (irfz44ns, irfz44nl), назначение выводов аналогично ТО-220.

Основные характеристики

Весь перечень параметров MOSFET-транзисторов не указывается даже в даташит, так как он может понадобится только профессиональным разработчикам. Но даже опытным разработчикам обычно достаточно знать некоторые основные величины, чтобы начать использовать устройство в своих электронных схемах. IRFZ44N характеризуется следующими основными параметрами (при темперном режиме до +25 градусов):

• Максимальное напряжение стока-истока (V _DSS) — 55 В;
• Максимальный ток стока (I _D) — 49 A;
• Сопротивление проводящего канала сток-исток (R _DSon) — 5 мОм;
• Рассеиваемая мощность (P _D) — 94 Вт

В некоторых технических описаниях название МОП (или mosfet) транзистора с изолированным затвором, может начинаться с сокращения МДП. МДМ это первые буквы слов металл, диэлектрик и полупроводник. При этом эти транзисторы подразделяют на устройства с индуцированным и встроенным каналом. У таких полупроводниковых приборов затвор отделен от кремниевой подложки тончайшим слоем диэлектрика (примерно 0,1 микрометра).

Максимальные значения

Обычно, предельные допустимые значения, указываются в самом начале даташит. В них производитель пишет информацию о предельных значениях эксплуатации радиокомпонентов, при которых возможна их работа. Испытания прибора проводятся при окружающей температуре до 25 градусов, если изготовитель не указал иного. Изучив только эти параметры, уже можно принимать решение об использовании в своих схемах. Например, о возможности применении в различных температурных режимах. Так, у рассматриваемого MOSFET при увеличении температуры окружающей среды ток до 100 °C может падать с 49 А до 35 А.

Тепловые параметры

Не является тайной то, что параметры работа силового МОП-транзистора сильно зависят от того, насколько качественно отводится от него тепло. Чтобы упростить расчеты связанные с отводом тепла, вводятся параметры теплового сопротивления. Их значения показывают возможности радиокомпонентов ограничивать распространения тепла. Чем больше тепловое сопротивление, тем быстрее увеличится температура полупроводникового прибора. Таким образом, чем больше разность между предельно допустимой температурой кристалла и внешней средой, тем дольше время его нагрева, при этом пропускаемый ток выше. У рассматриваемого экземпляра следующие тепловые сопротивления.

Электрические параметры

Понятно что, питание и пропускаемые токи между контактами не должны превышать максимальных значений, заявленных изготовителем. Вместе с этим существуют и другие факторы, которые могут вызвать резкое повышение температуры, способствующие разрушению полупроводника. Поэтому, производители советуют выбирать устройства с запасом 20-30% по возможным уровням подаваемого напряжения, а в даташит приводят  номинальные электрические характеристики. У  IRFZ44N электрические характеристики, при T_j= 25°C (если не указано иное) представлены ниже.

Маркировка

Префикс IRF напоминает о происхождение рассматриваемого экземляра на заводах известной американского компании International Rectifier (IR). В 2007 году IR продала технологию производства МОП-транзисторов компании Vishay Intertechnology, а уже в 2015 году другая компания (Infineon Technologies) поглотила IR. В настоящее время многие независимые производители продолжают выпускать свою продукцию с префиксом IRF, поэтому на рынке современных радиокомпонентов можно встретить и других производителей, выпускающих продукцию с такими же символами в обозначении. Например Vishay, которая больше не выпускает транзисторы irfz44n, однако у нее есть другие похожие устройства, например: IRFZ44, IRFZ44R, IRFZ44S, IRFZ44SL.

В некоторых техописаниях, в конце маркировки, указываются символы “PbF”, например IRFZ44NPbF. PbF (plumbum free) – это безсвинцовая технология изготовления MOSFET-транзисторов, набирающая популярность в разных странах, из за запрета на использование в электронике веществ опасных для здоровье и окружающей природной среды.

В даташит оригинального устройства указывается наличие фирменной HEXFET-технологии изготовления от International Rectifier Corporation, которая позволяет значительно снизить сопротивление электронных компонентов и соответственно уменьшить нагрев во время их работы. Так же отпадает необходимость применения охлаждающего радиатора. Технология стала популярной в 1978 году, но её до сих пор применяют при изгодовлении силовых MOSFET-транзисторов. Упрощенно HEXFET-структура International Rectifier, представлена на рисунке.

IRFZ44N фирмы IR изготовленный с  HEXFET-структурой, имеет самое низкое сопротивление между стоком и истоком 17.5 миллиом. Обозначение “Power MOSFET” в техописании указывает на принадлежность устройства к мощным полупроводниковым приборам.

Аналоги

Полных аналогов для irfz44n не существует, однако есть очень похожие по своим техническим характеристикам и описанию МОП-транзисторы. К ним относятся IRFZ44E, IRFZ45, IRFZ46N, IRFZ40, BUZ102, STP45NF06, IRLZ44Z, HUF75329P3, IRF3205. Отечественным аналогами является КП723 и КП812А1, хотя рабочая температура у них немного меньше (до 150°C).

Схема включения

Теперь поговорим о схеме включения Irfz44N, как писалось выше он является полевым транзистором-МОП с затвором отделенным от полупроводника тончайшим слоем SiO₂. Внутри кремниевой структуры присутствуют два перехода p–n. При отсутствии отпирающего напряжения проводящий ток отсутствует и транзистор находится в закрытом состоянии. Если подать на устройство положительное отпирающее V_GS, т.е. на затвор плюс, а на исток минус, то под влиянием электрического поля появится индуцированный канал n-проводимости. При подаче питания на нагрузку, по индуцированному каналу потечёт стоковый ток I_D.

Чем выше напряжение подается на затвор, тем больше электронов притягивается в область сток-исток и тем шире она становится для протекания тока. Однако, этот процесс может длится до переключения между областями графика линейной и отсечки. Затем, в области насыщения стоковый ток перестает расти. Область насыщения (рабочий режим) применяется в схемах усиления, а отсечки в ключевых. В даташит процесс перехода а рабочий режим, для разных значений V_GS, отображают на графиках типовых выходных характеристик (Typical оutput сharacteristics). Для mosfet области насыщения можно определить по линии проходящих почти горизонтально относительно оси напряжения стока-истока.

Варианты применения

Полевой транзистор irfz44n очень популярен у радиолюбителей в различенных электронных схемах усиления на одном транзисторе, сенсорных переключателях, контроллеров скорости вращения двигателей, проектах с ардуино и др. Его часто можно увидеть в высокочастотных импульсных блоках питания, генераторах, стабилизаторах, инверторах и схемах подключения мощной нагрузки. Предлагаем Вам посмотреть видео на тему создания интересных идей на основе этого замечательного полупроводникового прибора.

Производители

В интернете встречается полный перевод DataSheet irfz44n на русском языке, но лучше использовать описание на английском от производителя.  Ниже представлено тех описание следующих производителей радиоэлектронных компонентов:

Как работает МОП-транзистор | Практическая электроника

В этой статье мы рассмотрим работу МОП-транзистора.

Виды МОП-транзисторов

Здесь работает правило два по два (2х2). В каждом семействе по два вида:

Из всех этих 4 разновидностей, наверное не ошибусь, если скажу, что самый употребимый транзистор считается именно N-канальный с индуцированным каналом:

Именно с него мы и начнем наш путь в мир современной электроники.

Режим отсечки

Давайте познакомимся с нашим героем. У нас в гостях N-канальный МОП-транзистор с индуцированным каналом:

Судя по гравировке, звать его IRFZ44N. Выводы слева-направо: Затвор, Сток и Исток.

Что будем делать с этим куском кремния? Раз уж он есть, то давайте заставим его пахать. Для начала соберем вот такую простенькую схемку ключа:

Напряжение на крокодилы идет с блока питания Bat, но лампочка не горит. Следовательно, в данный момент никакого движения электрического тока через канал Стока и Истока нет.

Это аналогично этому рисунку (только тут без лампочки):

Ток не бежит, потому что у нас там эквивалентный диод VD2, который препятствует протеканию тока.

Об этом я еще говорил в прошлой статье.

На амперметре блока питания также по нулям, что говорит о том, что тока вообще нет никакого.

Почему Затвор у нас висит без дела? Не порядок. Надо его тоже задействовать. Чем у нас занимается Затвор в полевых транзисторах? Управляет потоком основных носителей. А что такое поток заряженных частиц, которые движутся в одном направлении? Да, все верно – это электрический ток ;-).

В опыте выше на Затворе сейчас почти ноль. Почему почти? Да потому что он все равно пытается ловить какие-то наводки, но это все равно не сказывается на работе схемы. В реальных схемах Затвор никогда нельзя оставлять без дела болтаться в воздухе. Он всегда должен быть соединен с чем-нибудь.

Так, что нам теперь надо сделать, чтобы начать управлять шириной канала Сток-Исток, а следовательно и менять сопротивление этого канала? Как мы помним из прошлой статьи, достаточно подать положительное напряжение относительно Истока на Затвор;-) Для этого возьмем второй блок питания и будем с помощью него менять напряжение на Затворе нашего транзистора. Сделаем все по такой схеме:

Вот так выглядит мой блок питания, который в схеме называется Bat2. С помощью него мы будем регулировать напряжение вручную от нуля и больше.

Так выглядит вся схема в реале, которую я нарисовал выше. Так как вольтметр на блоке питания стрелочный и неточный, поэтому напряжение будем мерять с помощью мультиметра, который я цепанул параллельно щупам Bat2:

Хоть я и сделал крутилку на ноль на Bat2, все равно он выдает каких-то 22 миллиВольта. На этот опыт эти доли милливольта никак не повлияют.

Ну что, поехали?

Устанавливаю 1 Вольт на Bat2:

Лампочка не горит, сила тока в цепи ноль Ампер:

Так ладно. Добавляем еще 1 Вольт, итого получаем 2 Вольта:

Лампочка не горит, на амперметре опять по нулям:

Ну ладно. Раз такое дело добавляем еще 1 Вольт. Итого 3 Вольта:

Да опять лампочка не зажглась!

Активный режим работы транзистора

И вот уже при каких-то 3,5 Вольт

Через лампочку начинает течь ток силой около 10 мА, но лампочка, естественно, пока что не горит. Ток слабоват.

Во! Запомните этот момент! При этом напряжении транзистор начинает ОТКРЫВАТЬСЯ.  Это значение у разных видов транзисторов разное. В основном от 0,5 и до 5 вольт.  В даташите этот параметр называется как Gate threshold voltage, в переводе с англ. яз.  –  пороговое напряжение на Затворе для включения транзистора. В даташите этот параметр указывается как V_GS(th), а в некоторых даташитах как V_GS(to) . В даташите на мой транзистор это напряжение варьируется от 2 и до 4 Вольт при каких-то условиях (conditions):

(картинка кликабельна)

Как вы видите, диапазон открытия этого транзистора может быть от 2 Вольт и до 4 Вольт. Но опять же, это при токе Стока от 250 мкА, как указано в даташите, а я замерял от 10 мА. Здесь также в условиях говорится, что напряжение между Истоком и Затвором должно быть такое же, как и напряжение между Стоком и Истоком. Так как мы не пытались замерить точное напряжение 5-ым знаком после запятой, для нас эти условия не имеют значения. Как вы помните, у биполярных транзисторов транзистор начинал открываться только при напряжении на базе-эмиттере более 0,6-0,7 Вольт для кремниевых видов.

Неужели мы сегодня так и не зажжем лампочку? Зажжем, да еще как! Для того, чтобы чуток накалить нить лампы, мы просто добавляем напряжение на Затвор, покрутив крутилку блока питания Bat2.

Вуа-ля! Нить лампы стала слабенько гореть.

На амперметре видим значение около 1 Ампера:

При этом стал очень сильно греться сам транзистор. Почему? Давайте разберемся…

Почему греется транзистор

Итак, раз мы с помощью Затвора стали управлять сопротивлением канала Сток-Исток, то грубо говоря, это у нас получился резистор R. Это и есть сопротивление канала Сток-Исток. При напряжении на Затворе в 0 Вольт, сопротивление этого резистора достигает очень большого значения, а следовательно, сила тока, протекающего через него, будет вообще микроАмперы. Закон Ома.

Так как резистор R включен последовательно в цепь, то вспоминаем правило шунта: на бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение, а на меньшем сопротивлении падает меньшее напряжение. Также не забываем, что нить лампы тоже обладает сопротивлением, поэтому рисунок у нас примет вот такой вид:

В первом случае у нас на Затвор ничего не подавалось и транзистор был в закрытом состоянии. Как только мы стали подавать напругу на Затвор, то у нас сопротивление канала стало меняться, а следовательно и падение напряжение на резисторе R и проходящий через него ток. Получился типичный делитель напряжения. В этом случае на резисторе R падает какое-то напряжение и через него течет приличная сила тока. В нашем случае почти 1 Ампер. Значит, мощность, рассеиваемая на транзисторе, будет равняться падению напряжения на Сток-Истоке  помноженной на силу тока через Сток-Исток или просто на ток Стока или буквами:

P= I²_C R 

где R – это сопротивление канала Сток-Исток

I_C  – ток, проходящий через канал (ток Стока)

А что такое мощность, рассеиваемая на радиоэлементе? Это и есть тепло. Поэтому в нашем случае транзистор нагрелся очень сильно. Опыт пришлось приостановить.

Значит, самые щадящие режимы для МОП-транзистора – это когда канал полностью открыт. В этом случае у нас сопротивление канала достигает сотые доли Ома. Либо когда канал полностью закрыт. В этом случае сила тока, проходящая через канал, будет достигать тока утечки между Стоком и Истоком. А это микроАмперы. В этих двух случаях транзистор будет холодным, как айсберг в океане. Поэтому такой транзистор предназначен в основном для работы в ключевом режиме, где как раз и используются эти два режима.

Режим насыщения МОП-транзистора

Для того, чтобы полностью открыть транзистор, достаточно будет просто подать чуть больше напряжения для полного открытия канала. В моем случае это составило 4,2 Вольта и выше:

Как вы видите, лампочка горит в полный накал. Сопротивление канала в этом случае минимальное.

Лампа ест свои честные 1,69 Ампер:

Умножайте силу тока на напряжение и получаем потребляемую мощность лампочки. Итого P=IU=12 Вх1,69 А=20,28 Ватт

А на лампочке написано 21 Ватт:

Ладно, спишем на погрешность и на то, что лампа еще не раскочегарилась. Транзистор в этом случае остается холодным и ни капельки не греется.

Предельные параметры и графические зависимости

Раз уж транзистор полностью открылся, то можно ли еще подавать напряжение на Затвор? Можно. Но при этом лампочка уже ярче светить не будет. Оно и понятно, так как лампочка итак горит уже на всю мощь, а сопротивление канала достигло уже почти нуля. Какое максимальное напряжение можно подать на Затвор? Смотрим даташит и находим что-то типа максимальных параметров (Absolute Maximum Ratings)

Находим параметр V_GS , что обозначает напряжение между Затвором и Истоком. В нашем случае это напряжение на Bat2.  Смотрим на даташит и видим, что максимальное напряжение, которое можно подать – это +-20 Вольт.  Напряжение более 20 Вольт в обе стороны пробьет тончайший слой диэлектрика, в нашем случае это оксид кремния, и транзистору придет жопа. Значит, мы можем спокойно подавать от 0 и до 20 Вольт на Затвор, не боясь что транзистор уйдет на тот свет.

Также для нас могут представлять интерес такие параметры, как максимальная сила тока, которая может течь через канал Сток-Исток. В даташите такой параметр обозначается как I_D (ток Стока).

(картинка кликабельна)

Как мы видим, транзистор в легкую может протащить через себя 49 Ампер!!!

Но это при температуре кристалла 25 градусов по Цельсию. А так номинальная сила тока 35 Ампер при температуе кристалла 100 градусов, что чаще всего происходит на практике.

Так как транзистор с индуцированным каналом в основном используется в импульсном и ключевом режиме, поэтому нам важен такой параметр как сопротивление канала полностью открытого транзистора. В даташите он указывается как R_DS(on)

Как мы видим всего 17,5 миллиОм. Или 0,017 Ом. Тысячные доли Ома! Давайте предположим, что мы пропускаем через открытый транзистор максимальный ток в 49 Ампер. Какая мощность будет рассеиваться на транзисторе в этом случае? Формула мощности через силу тока и сопротивление выглядит вот так: P=I²R= 49² x 0,017 = 41 Ватт.

А максимальная мощность, которую может рассеять транзистор – это 94 Ватта.

Основные параметры полевых МОП-транзисторов указываются в основном сразу на первой страничке даташита в отдельной рамке.

Также различные зависимости одних параметров от других можно увидеть в даташите. Очень информативно и наглядно.

Например, ниже на графике приводится зависимость тока Стока от напряжения Стока-Истока при каких-то фиксированных значениях напряжения на Затворе при температуре кристалла (подложки) 25 градусов Цельсия (комнатная температура). Верхняя линия графика приводится для напряжения 15 Вольт на Затворе. Другие линии в порядке очереди по табличке вверху слева:

Также есть интересная зависимость сопротивления канала  полностью открытого транзистора от температуры кристалла:

Если посмотреть на график, то можно увидеть, что при температуре кристалла в 140 градусов по Цельсию у нас сопротивление канала увеличивается вдвое. А при отрицательных температурах наоборот уменьшается.

Интересное свойство МОП-транзистора

А давайте немного изменим схему и уберем из нее Bat2. Вместо него поставим переключатель, а напряжение на Затвор будем брать от Bat1:

Для наглядности вместо переключателя я использовал проводок от макетной платы.

В данном случае лампочка не горит. А с чего ей гореть то? На Затворе то у нас голимый ноль, поэтому канал закрыт.

На фото ниже показан этот случай.

Но стоит только перекинуть выключатель в другое положение, как у нас лампочка сразу же загорается на всю мощь:

Даже не надо ни о чем заморачиваться! Тупо подаем на Затвор напряжение питания и все! Разумеется, если оно не превышает максимальное напряжение на Затворе, прописанное в даташите. Не повредит ли напряжение питания Затвору? Так как Затвор у нас имеет очень большое входное сопротивление (он ведь отделен слоем диэлектрика от всех выводов), то и сила тока в цепи Затвора будет копейки.

Лампочка горит на всю мощь. В этом случае можно сказать, что потенциал на Стоке стал равен почти как и на Истоке, то есть нулю, поэтому весь ток побежал от плюса питания к Стоку, “захватив” по пути лампочку накаливания, которая не прочь была покушать электрический ток, излучая кучу фотонов в пространство и на мой стол.

Даже если откинуть проводок от Затвора, все равно лампочка продолжает гореть как ни в чем не бывало!

Почему так происходит? Здесь надо вспомнить внутреннее строение самого МОПа.

 Вот эта часть вам ничего не напоминает?

Так это же конденсатор! А раз мы его зарядили, то с чего он будет разряжаться? Разрядиться то ему некуда! Вот он и держит заряд электронов в канале, пока мы не разрядим вывод Затвора. Для того, чтобы убрать потенциал Затвора и заткнуть канал, нам опять же надо уравнять его с нулем, замкнув Затвор на Исток. Лампочка сразу же потухнет:

Как вы видели в опыте выше,  если мы отключаем напряжение на Затворе, то обязательно должны притянуть Затвор к минусу, иначе канал останется открытым. Поэтому обязательное условие в схемах – Затвор должен всегда чем то управляться и с чем то соединяться. Ему нельзя давать висеть в воздухе. Об этом я еще говорил в начале статьи.

Ключ на МОП транзисторе

А почему бы Затвор автоматически не притягивать к нулю при отключении подачи напряжения на Затвор? Поэтому, эту схему можно доработать и сделать самый простейший ключ на МОП-транзисторе:

При включении выключателя S цепь стает замкнутой и лампочка загорается

Как только я убираю красный проводок от Затвора (разомкну выключатель),  лампочка сразу тухнет:

Красота! То есть как только я убрал напряжение от Затвора, Затвор притянуло к минусу через резистор и на нем стал нулевой потенциал. А раз на Затворе ноль, то и канал Сток-Исток закрыт. Если снова подам напряжение на Затвор, то у нас на мегаомном резисторе упадет напряжение питания, которое будет все оседать на Затворе и транзистор снова откроется. На бОльшем сопротивлении падает бОльшее напряжение ;-). Не забываем золотое правило. Резистор в основном берут от 100 КилоОм и до 1 МегаОма (можно и больше).

Так как МОП-транзисторы с индуцированным каналом в основном используются в цифровой и импульсной технике, из них получаются отличные  транзисторные ключи, в отличие от ключа на биполярном транзисторе.

Чего боится МОП-транзистор

Все полевые транзисторы, будь это полевой транзистор с управляющим P-N переходом, либо МОП-транзистор, очень чувствительны к электрическим перегрузкам на Затворе. Особенно это касается электростатического заряда, который накапливается на теле человека и на измерительных приборах. Опасные значения электростатического заряда для МОП-транзисторов составляют 50-100 Вольт, а для транзисторов с управляющим P-N переходом – 250 Вольт. Поэтому самое важное правило при работе с такими транзисторами – это заземлить себя через антистатический браслет, или взяться за голую батарею ДО касания полевых транзисторов.

Также в некоторых экземплярах полевых транзисторов встраивают защитные стабилитроны между Истоком и Затвором, которые вроде как спасают от электростатики, но лучше все-таки перестраховаться лишний раз и не испытывать судьбу транзистор на прочность. Также не помешало бы заземлить всю паяльную и измерительную аппаратуру. В настоящее время это все делается уже автоматически через евро розетки, у которых имеются в наличии заземляющий проводник.

Читайте также следующую статью: как проверить МОП-транзистор.

Управление мощной нагрузкой постоянного тока. Часть 3.

Кроме транзисторов и сборок Дарлингтона есть еще один хороший способ рулить мощной постоянной нагрузкой — полевые МОП транзисторы.
Полевой транзистор работает подобно обычному транзистору — слабым сигналом на затворе управляем мощным потоком через канал. Но, в отличии от биполярных транзисторов, тут управление идет не током, а напряжением.

МОП (по буржуйски MOSFET) расшифровывается как Метал-Оксид-Полупроводник из этого сокращения становится понятна структура этого транзистора.

Если на пальцах, то в нем есть полупроводниковый канал который служит как бы одной обкладкой конденсатора и вторая обкладка — металлический электрод, расположенный через тонкий слой оксида кремния, который является диэлектриком. Когда на затвор подают напряжение, то этот конденсатор заряжается, а электрическое поле затвора подтягивает к каналу заряды, в результате чего в канале возникают подвижные заряды, способные образовать электрический ток и сопротивление сток — исток резко падает. Чем выше напряжение, тем больше зарядов и ниже сопротивление, в итоге, сопротивление может снизиться до мизерных значений — сотые доли ома, а если поднимать напряжение дальше, то произойдет пробой слоя оксида и транзистору хана.

Достоинство такого транзистора, по сравнению с биполярным очевидно — на затвор надо подавать напряжение, но так как там диэлектрик, то ток будет нулевым, а значит требуемая мощность на управление этим транзистором будет мизерной, по факту он потребляет только в момент переключения, когда идет заряд и разряд конденсатора.

Недостаток же вытекает из его емкостного свойства — наличие емкости на затворе требует большого зарядного тока при открытии. В теории, равного бесконечности на бесконечно малом промежутки времени. А если ток ограничить резистором, то конденсатор будет заряжаться медленно — от постоянной времени RC цепи никуда не денешься.

МОП Транзисторы бывают P и N канальные. Принцип у них один и тот же, разница лишь в полярности носителей тока в канале. Соответственно в разном направлении управляющего напряжения и включения в цепь. Очень часто транзисторы делают в виде комплиментарных пар. То есть есть две модели с совершенно одиннаковыми характеристиками, но одна из них N, а другая P канальные. Маркировка у них, как правило, отличается на одну цифру.

Нагрузка включается в цепь стока. Вообще, в теории, полевому транзистору совершенно без разницы что считать у него истоком, а что стоком — разницы между ними нет. Но на практике есть, дело в том, что для улучшения характеристик исток и сток делают разной величины и конструкции плюс ко всему, в мощных полевиках часто есть обратный диод (его еще называют паразитным, т.к. он образуется сам собой в силу особенности техпроцесса производства).

У меня самыми ходовыми МОП транзисторами являются IRF630 (n канальный) и IRF9630 (p канальный) в свое время я намутил их с полтора десятка каждого вида. Обладая не сильно габаритным корпусом TO-92 этот транзистор может лихо протащить через себя до 9А. Сопротивление в открытом состоянии у него всего 0.35 Ома.
Впрочем, это довольно старый транзистор, сейчас уже есть вещи и покруче, например IRF7314, способный протащить те же 9А, но при этом он умещается в корпус SO8 — размером с тетрадную клеточку.

Одной из проблем состыковки MOSFET транзистора и микроконтроллера (или цифровой схемы) является то, что для полноценного открытия до полного насыщения этому транзистору надо вкатить на затвор довольно больше напряжение. Обычно это около 10 вольт, а МК может выдать максимум 5.
Тут вариантов три:

• На более мелких транзисторах сорудить цепочку, подающую питалово с высоковольтной цепи на затвор, чтобы прокачать его высоким напряжением
• применить специальную микросхему драйвер, которая сама сформирует нужный управляющий сигнал и выровняет уровни между контроллером и транзистором. Типичные примеры драйверов это, например, IR2117.

  Надо только не забывать, что есть драйверы верхнего и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и комутирующего транзистора. Если обратишь внимание, то увидишь что с драйвером и в верхнем и нижнем плече используются N канальные транзисторы. Просто у них лучше характеристики чем у P канальных. Но тут возникает другая проблема. Для того, чтобы открыть N канальный транзистор в верхнем плече надо ему на затвор подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Чем собственно и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

• Применить транзистор с малым отпирающим напряжением. Например из серии IRL630A или им подобные. У них открывающие напряжения привязаны к логическим уровням. У них правда есть один недостаток — их порой сложно достать. Если обычные мощные полевики уже не являются проблемой, то управляемые логическим уровнем бывают далеко не всегда.

Выбор транзистора тоже не очень сложен, особенно если не заморачиваться на предельные режимы. В первую очередь тебя должно волновать значение тока стока — I _Drain или I_D выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это V_GS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость I_D от V_DS при разных значениях V_GS. И прикидыываешь какой у тебя будет режим.

Вот, например, надо тебе запитать двигатель на 12 вольт, с током 8А. На драйвер пожмотился и имеешь только 5 вольтовый управляющий сигнал. Первое что пришло на ум после этой статьи — IRF630. По току подходит с запасом 9А против требуемых 8. Но глянем на выходную характеристику:

Видишь, на 5 вольтах на затворе и токе в 8А падение напряжения на транзисторе составит около 4.5В По закону Ома тогда выходит, что сопротивление этого транзистора в данный момент 4.5/8=0.56Ом. А теперь посчитаем потери мощности — твой движок жрет 5А. P=I*U или, если применить тот же закон Ома, P=I²R. При 8 амперах и 0.56Оме потери составят 35Вт. Больно дофига, не кажется? Вот и мне тоже кажется что слишком. Посмотрим тогда на IRL630.

При 8 амперах и 5 вольтах на Gate напряжение на транзисторе составит около 3 вольт. Что даст нам 0.37Ом и 23Вт потерь, что заметно меньше.

Если собираешься загнать на этот ключ ШИМ, то надо поинтересоваться временем открытия и закрытия транзистора, выбрать наибольшее и относительно времени посчитать предельную частоту на которую он способен. Зовется эта величина Switch Delay или t_on,t_off, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора C_iss исходя из нее, а также ограничительного резистора в затворной цепи, можно рассчитать постоянную времени заряда затворной RC цепи и прикинуть быстродействие. Если постоянная времени будет больше чем период ШИМ, то транзистор будет не открыватся/закрываться, а повиснет в некотором промежуточном состоянии, так как напряжение на его затворе будет проинтегрировано этой RC цепью в постоянное напряжение.

При обращении с этими транзисторами учитывай тот факт, что статического электричества они боятся не просто сильно, а ОЧЕНЬ СИЛЬНО. Пробить затвор статическим зарядом более чем реально. Так что как купил, сразу же в фольгу и не доставай пока не будешь запаивать. Предварительно заземлись за батарею и надень шапочку из фольги :).

А в процессе проектирования схемы запомни еще одно простое правило — ни в коем случае нельзя оставлять висеть затвор полевика просто так — иначе он нажрет помех из воздуха и сам откроется. Поэтому обязательно надо поставить резистор килоом на 10 от Gate до GND для N канального или на +V для P канального, чтобы паразитный заряд стекал. Вот вроде бы все, в следующий раз накатаю про мостовые схемы для управления движков.

СХЕМА УНИВЕРСАЛЬНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ

Всем привет, прошло не так долго времени как я собрал свой первый радио конструктор или как известный в народе Master KIT, первое впечатление было очень позитивное после сборки этого действительно интересного и полезного конструктора. И вот недавно увидел в Интернете ещё одну интересную схему, тем более был радио конструктор по очень привлекательный цене, решил купить и собрать блок питания на микросхемы lm324.

Схема универсального БП

Это однополярный блок питания с «грубой» и «плавной» регулировками выходного напряжения, регулировкой ограничения по току и индикацией режима работы. В качестве регулирующего элемента используется полевой транзистор IRLZ44N.

Технические характеристики

• Входное напряжение: 7-32 В переменного тока
• Регулируемый ток нагрузки: 0-3 А
• Нестабильность выходного напряжения: не более 1%
• Выходное напряжение: 0-30 В

Описание работы

Схема стабилизации напряжения собрана на U1.3 и U1.4. На U1.4 собран дифференциальный каскад, усиливающий напряжение делителя обратной связи, образованного резисторами R14 и R15. Усиленный сигнал поступает на компаратор U1.3, сравнивающий выходное напряжение с образцовым, сформированным стабилизатором U2 и потенциометром RV2. Полученная разница напряжений поступает на транзистор Q2, управляющий регулирующим элементом Q1. Ограничение тока осуществляется  компаратором U1.1, который сравнивает падение напряжения на шунте R16 с опорным, сформированным потенциометром RV1. При превышении заданного порога, U1.1 изменяет опорное напряжение для компаратора U1.3, что приводит к пропорциональному изменению выходного напряжения. На операционном усилителе U1.2 собран узел индикации режима работы устройства. При понижении напряжения на выходе U1.1 ниже напряжения сформированного делителем R2 и R3, светится светодиод D1, сигнализирующий о переходе схемы в режим стабилизации тока. В случае работы устройства от питающего напряжения ниже 23В, стабилитрон D3 необходимо заменить перемычкой. Так же, возможно питать слаботочную часть схемы от отдельного источника, подав напряжение 9-35 В непосредственно на вход стабилизатора U3 и удалив стабилитрон D3.

Сборка устройства

После распаковки посылки меня сразу насторожило то, что отсутствует стабилитрон и некоторые резисторы — такое впечатление что этот комплект собирали кое как. Ничего, пусть будет, я думал что на этом все сюрпризы закончились, но как я ошибался: во время пайки дорожи улетали, паяльная маска была везде, должен был проходить наждачной бумагой зачищая контакты после чего их заново залуживал, пайка продолжалась несмотря ни на что, припаял основные резисторы это 1К и 10К, ну а дальше пошел на поиски недостающих резисторов. Нашел и запаял, после чего взялся за транзисторы — здесь было все нормально.

Что было интересно — это инструкция или схема по которой нужно собирать радио конструктор, первое что бросается в глаза это то, какой здесь разброс номиналов резисторов. Сама печатная плата разведена неграмотно, переменные резисторы на плате прикасаются друг к другу, при выключении схемы из сети идет скачок до 30 вольт и медленно падает. Чтоб это исправить припаял конденсатор к 8 и 11 ноге микросхемы — этот глюк проявляется при малых загрузках.

Вообще схема по параметрам реально неплохая, поэтому развел свою печатною плату. Может кто-то захочет повторить конструкцию. Печатная плата и список деталей в архиве. Благодарю за внимание, с вами был Kalyan-super-bos.

   Форум по БП

   Обсудить статью СХЕМА УНИВЕРСАЛЬНОГО БЛОКА ПИТАНИЯ