Эта тема довольно сложная. В базовом курсе университета для подготовки инженеров ей уделяется много часов. Я же описываю вопрос как работают полевые транзисторы кратко и упрощенно.
Моя задача состоит в следующем: дать эту информацию так, чтобы любой новичок со средним образованием, не прогуливавший уроки физики, понял принципы работы полевиков (английское название field-effect transistors), мог найти неисправности в электронной схеме и надежно устранить повреждение.
Сейчас полевые транзисторы массово работают в современной цифровой технике и успешно вытесняют из электронных устройств своих биполярных предшественников.
Принципы работы полевых транзисторов в электронных схемах: упрощенная информация
Все сложные процессы электроники удобно представлять на примере обычного водопроводного крана с рукояткой, которая позволяет перекрывать воду или регулировать ее напор от очень тонкой струйки (течь) до максимально сильного проходящего потока.
Показал это примитивной картинкой, на которой:
- входной патрубок с напором назван стоком;
- место выхода воды (истечения) обозначен истоком;
- рукоятка управления или вентиль со штоком — затвор.
Аналогичным образом работает рассматриваемая нами электрическая схема полевого транзистора. Только у нее между стоком и истоком приложено основное постоянное напряжение. Эту область называют каналом. Он выполнен из полупроводника определенной структуры:
- n-типа (преобладают электроны — носители отрицательных зарядов);
- p-типа — с излишком положительных дырок.
На чертежах эти выводы показываются одним из следующих образов.
На обозначении затвора нам надо обращать внимание на направление стрелки. У полупроводников n- канального типа она направлена на затвор, а с p- проводимостью — в противоположную сторону.
Любой field-effect transistors является полупроводником, причем управляемым. Это значит, что он пропускает через себя нагрузку исключительно в одну сторону, а противоположное движение электрических зарядов всегда заблокировано.
Функции закрытия или открытия этого крана (затвора), а также роль регулирования силы потока электрических зарядов возложены на затвор. Здесь действует известный всем закон Ома:
I=U/R
Сопротивление среды канала управляет нагрузкой, а на него действует приложенный извне потенциал.
Говоря другими словами: энергия электрического поля, приложенная к затвору, меняет сопротивление внутренних полупроводниковых переходов и влияет на величину тока в выходной силовой цепи.
Слово «поле» здесь знаковое. Оно определило целый ряд транзисторных изделий, работающих по этому принципу управления.
Потенциал электрического поля регулирует величину сопротивления через силовой полупроводниковый слой (канал), закрывая/открывая транзистор или изменяя ток через него.
Аналогичным образом управляются биполярные транзисторы (БТ), про которые у меня на блоге опубликована предыдущая статья.
Только у них силовая цепь образована меду коллектором и эмиттером, а схема управления работает от тока, образованного приложением напряжения между базой и эмиттером. У БТ своя система обозначения выводов, но те же два внутренних контура (силовая цепь и цепочка ее регулирования).
Причем происходит это по одному из предусмотренных заранее сценариев. О них я последовательно рассказываю дальше.
Как устроен полевой транзистор: 6 типов — краткие сведения
Разобраться с конкретным полевиком и понять его структуру нам поможет классификация, приведенная на картинке ниже, где структурированы их виды.
JFET и MOSFET имеют разную структуру. У JFET затвор (Gate) непосредственно встроен в поперечное сечение канала, работает как управляющий p-n переход.
У мосфета:
- имеется дополнительный четвертый вывод, соединенный внутренней связью с корпусом. При подключении к внешним цепям им не пользуются;
- зона вывода затвора отделена слоем диоксида кремния (диэлектрика) от полупроводника канала. Он работает как пластина конденсатора с емкостной связью. За счет этой доработки его и называют «с изолированным затвором» или МДП, МОП транзистор.
МДП обозначает металл-диэлектрик-полупроводник, а МОП — металл-оксид-полупроводник. Разница между ними для начинающего электрика не существенна, практически отсутствует.
На схемах мосфет и джифет обозначаются разными способами. MOSFET чертится с:
- четвертым выводом, который никуда не подключается;
- затвором, отделенным от основного канала.
Мосфеты производятся с разными подложками (каналами), которые могут быть обедненными или обогащенными основными носителями заряда.
Более подробно разрисовывать и описывать отличия каждого типа этих полупроводников для начинающего электрика я не буду: нет большого смысла.
Ниже просто привожу типовые графики их работы. Они дадут общее представление о поведении, а конкретные данные вам надо будет брать из даташита — технической документации.
Сила протекающего тока через сток зависит от приложенного напряжения между затвором и истоком, а также от окружающей температуры.
Выходные стоковые характеристики тока зависят от величины приложенного напряжения между стоком-истоком и затвором-истоком.
Так работает МДП-транзистор с встроенным каналом. Крутизна тока увеличивается при возрастании напряжения Uси, Uзи.
А здесь характеристики транзисторов с индуцированным каналом.
Такие графические изображения и зависимости процессов электротехники, благодаря наглядности, обладают лучшей информативностью.
6 особенностей работы электронных устройств с MOSFET
В последнее время у нас все чаще работают полевики типа мосфет с каналом любой проводимости.
Вкратце проанализируем подобную схему и ее свойства.
Нюанс №1: в какое плечо включать нагрузку
При полностью открытом полупроводниковом переходе между стоком и истоком создается очень маленькое сопротивление в десятки или сотни миллиОм (Rоткр), что образует низкое падение напряжения на этом участке (Iн·Rоткр), где Iн — величина тока нагрузки.
Потенциала напряжения, подаваемого на затвор, может не хватить для полного открытия полупроводника. Поэтому нагрузку включают выше со стороны стока в полевике n- типа, а истока — у p- типа при питании схемы от одного источника.
Если же в устройстве используются дополнительные источники напряжения, то это требование соблюдать не обязательно.
Нюанс №2: хитрости подключения полевика к микроконтроллерам
Для надежной работы MOSFET необходимо между его затвором и истоком (gate-source) подать пороговое значение напряжения, которое указывается в даташите. Обычно оно составляет около 10 вольт. Все же цифровые устройства работают до пяти: их питания недостаточно, потребуется добавить уровень.
Решить проблему можно одним из трех способов:
- ключом с биполярными транзисторами подается необходимое питание на затвор;
- подключить специальный драйвер (микросхему) для формирования управляющего сигнала. Они созданы как для верхнего, так и нижнего плеча с учетом нагрузки. Причем в драйвере верхнего плеча часто применяется схема увеличения выходного напряжения;
- использовать специализированный полевик низкого уровня открытия (logic level). Однако приобрести его бывает проблематично.
Нюанс №3: как избежать влияния электрических помех
Появление любого потенциала помехи на выводе транзистора часто приводит к его несанкционированным переключениям и нарушению алгоритмов работы электроники.
Поэтому затвор всегда «притягивают» к питанию либо земле через определенное сопротивление даже при подключении через микроконтроллер. Его нельзя оставлять в свободном состоянии, доступном для проникновения посторонних помех.
Нюанс №4: борьба с броском тока при включении
Естественное наличие емкости на выводе gate приводит к «броску тока» при каждом открытии транзистора. Это чревато выводом из строя полупроводникового перехода.
Проблема решается введением в цепочку затвора резистора достаточного номинала. Однако подбирать его величину необходимо с учетом увеличения времени открытия ключа.
Нюанс №5: предохранение от броска тока при отключении индуктивных нагрузок
Защитный быстродействующий TVS-диод, параллельно включенный между истоком и стоком, надежно шунтирует импульсы, создаваемые отключением индуктивных нагрузок.
При работе на высоких частотах мостовых или полумостовых схем импульсных блоков питания либо индукционных нагревателей варочных панелей на вывод стока встречно подключают диод Шоттки, блокирующий паразитный диод, ибо он увеличивает время закрытия, что чревато повреждением полупроводника.
Нюанс №6: дополнительная защита MOSFET
Безопасная работа скоростного высокочастотного ключа в режиме переключения мощных индуктивнных нагрузок обеспечивается его подключением к снабберным цепям. Они:
- замыкают на себя апериодические токи, создаваемые переходными процессами;
- снижают нагрев полупроводников;
- защищают полевик от несанкционированного открывания во время быстрого возрастания напряжения между стоком и истоком.
3 варианта создания схем на полевом транзисторе
Вам может встретиться конструкция:
- ключа, подключающего или отключающего нагрузку по команде или внешнему сигналу;
- регулятора, управляющего различными режимами привода;
- усилителя мощности или акустики.
Как работает ключ на полевом транзисторе J-FET или MOSFET: 4 преимущества
Ключевым режимом считают такое состояние выходной цепи полупроводниковых переходов, когда его сопротивление сопровождается одним из двух критичных значений:
- увеличенным, блокирующим протекание электрического тока;
- низкоомным, хорошо пропускающим нагрузку.
Изделия, созданные на основе ключа, оперируют светильниками, нагревателями, блоками питания, зарядными устройствами, другими электрическими приборами повышенной мощности.
Транзисторы с конструкцией J-FET появились первыми. Они имеют менее сложную структуру, чем MOSFET, но тоже создаются с каналами n- или p- типа. Их часто используют для эксплуатации в ключевом режиме выключателя. Разберем работу на примере n-канального модуля.
Для открытия такого ключа достаточно подать потенциал напряжения на затвор по отношению к истоку, а для закрытия — снять.
Резистором R1 ограничивается ток при открытии ключа, вызванный переходными процессами. Без него может сгореть полупроводниковый переход. Величина от 10 до 100 Ом подбирается при наладке, но особо не критична.
Задача R2 — «подтянуть» потенциал затвора ближе к истоку, когда требуется надежно закрыть полевой транзистор, а затвор обесточен. Номинал уточняется во время наладки.
Полевой J-FET транзистор выбирают из n- канальных моделей по мощности, нагрузке и значению управляющего напряжения:
- для напряжений до 7 вольт подходят логические полевики на 3,3÷5 В. Их можно выпаять со старых компьютерных плат;
- для работы с питанием 7÷15 В подходят модели IRF540, IRF630, IRF730 и их аналоги.
При необходимости переключений больших мощностей обращайте внимание на величину сопротивления открытого перехода сток-исток. Чем оно ниже, тем меньше будет нагреваться полупроводник при повышенных токах.
4 преимущества ключей на полевых транзисторах:
- высокая скорость коммутаций, превышающая работу даже устройств отсечки с биполярными аналогами;
- экономичность, связанная с очень малым сопротивлением открытых полупроводниковых переходов. На них происходит низкое падение напряжение и незначительный нагрев даже при мощных нагрузках (слабое тепловыделение);
- долговечность при соблюдении правил эксплуатации;
- бесшумность переключений и регулировок.
Их основной недостаток — способность работы только в цепях постоянного тока. Но его успешно обходят производители за счет хитрых конструкторских приемов и инженерных решений.
Регулятор тока на полевом транзисторе — принципы работы для новичков
Вопросы плавной регулировки нагрузки у различных источников питания успешно решаются применением мощных транзисторов полевого типа. В качестве примера приведу схему устройства, испытанную в лаборатории журнала Радио И Нечаевым и опубликованную им в номере 1 за 2005 год.
Все тонкости работы, наладки и состав комплектующих элементов там хорошо изложены. Схема доступна для повторения в домашних условиях даже начинающими электриками.
Привел ее потому, что в ней не только стабилизирован выходной ток через сток-исток, который может достигать 110 ампер, но MOSFET IRF3205 надежно работает при напряжении до 55 вольт и рассеиваемой мощности 200 ватт.
Здесь Мосфет IRM3205 работает совместно с операционным усилителем LM358AM. Они образуют регулятор тока с отрицательной обратной связью.
Усилитель мощности на транзисторе: 4 принципа работы
Ремонт усилителя звука или мощности часто связан с заменой неисправного транзистора, которой может работать по различной технологии. Поэтому их необходимо знать. Кратко остановлюсь только на четырех, наиболее популярных.
У всех схем на полупроводниках есть одна серьёзная проблема. Если взглянуть на осциллограмму записи звука, то мы увидим сигнал, изменяющийся в положительном и отрицательном направлении относительно центральной оси координат.
А наш управляемый диод (биполярный или полевой) способен пропускать ток исключительно в одну сторону. Противоположное направление он блокирует. Значит половина сигнала с отрицательной формой будет банально обрезана.
Поэтому производители создают свои усилители с разной логикой исправления этого недостатка.
Как работает транзистор в усилителе класса А — добавка напряжения
Эта технология самая старая и до сих пор работающая. В ней исходный звук обрабатывается специальным образом.
Под него подбирается дополнительный сигнал постоянной величины, чуть превышающий двойную амплитуду исходного переменного источника. После этого они суммируются.
При этом положительная полугармоника просто складывается с дополнительным сигналом, увеличивая напряжение, а отрицательная — вычитается, уменьшая его по тому же закону.
Результат сложения двух сигналов подается на затвор полевика, который формирует управляемый ток, подаваемый на динамики акустической системы.
Если присмотреться к первому и последнему графику, то видно, что относительно тока покоя все пропорции амплитудных отклонений пропорционально выдержаны.
Как работает транзистор в усилителе класса AB — зеркальное отражение
Техническое решение этой сборки заключается в использовании двух транзисторов, каждый из которых индивидуально обрабатывает свою полуволну входного сигнала: положительную либо отрицательную.
Один канал работает по технологии А, второй — отзеркаливает по B. На средней выходной точке обоих модулей они складываются. Получается усиленный входной сигнал, пропорционально повторяющий форму входной величины.
Эта схема меньше расходует энергии при работе, но каждый запуск любого транзистора после закрытого состояния связан с небольшой временной задержкой. Она устраняется небольшим ускорением при включении за счет смещения напряжения.
Как работает транзистор в усилителе класса D — широко импульсная модуляция
Технология ШИМ позволяет выполнить усиление максимально просто и эффективно.
Генератор треугольной волны вырабатывает СВЧ импульсы в сотни МГц. В компараторе они модулируются по форме входного аналогового сигнала с равной амплитудой, но различной продолжительностью.
Коммутационный контроллер своим выходным каскадом из двух быстродействующих мосфетов их усиливает. Затем демодулирующий фильтр нижних частот из дросселей и емкостей превращает цифровой сигнал в усиленный аналоговый, удаляя из него как несущую частоту, так и сопутствующий ей В/Ч шум.
Поскольку здесь полевой транзистор работает на одной частоте и амплитуде, то его режим намного проще, чем в регуляторе тока. Он становится точно прогнозируемым.
Как работает транзистор в усилителях класса G и H — 2 режима сбережения энергии
Базовая схема построена на принципах, описанных для класса АВ. Но здесь обеспечивается более экономный режим, когда основное питание создается уровнем напряжения (+V1÷—V1), соответствующем среднему пределу громкости.
Одновременно уровень входящего звука отслеживается автоматикой, а когда возникает необходимость поднять напряжение, то этот процесс осуществляется за счет работы обратной связи. Блок питания начинает работать в пределах (+V2÷—V2).
У класса G подача и снятие дополнительного питания происходит скачком, когда импульс имеет форму прямоугольника. Усилители класса H работают более экономно. Их импульс повторяет форму усиленного сигнала. Их схема, естественно, лишь немного возрастет и усложняется, но потребление энергии уменьшается.
Как паять полевые транзисторы правильно и безопасно: 5 советов
Рекомендую новичкам на этот вопрос обратить самое пристальное внимание. Тогда разочарования от проделанной работы у вас не возникнет.
Где спрятана засада или чем опасна статика для электроники
В повседневной жизни статическое электричество мы ощущаем редко, например, при расчесывании волос пластиковой расческой, выходе из автомобиля после поездки или в некоторых других случаях.
Обычно статика доставляет нашему организму небольшие неприятности, которые просто раздражают. Но с полупроводниками дела обстоят иначе.
У МОП транзисторов очень тонкий слой изоляции между затвором и материалом канала. Он образует емкостную связь затвор-исток, затвор-сток. Причем сам диэлектрик создает этот эффект, работая как емкость.
Мы знаем, что любой конденсатор выпускается для работы под определенным напряжением. Если его превысить, то происходит пробой изоляции. Для повреждения оксидной пленки полевика обычно достаточно десятка вольт, а иногда и меньше.
Теперь показываю фотографиями какие опасности мы можем создать своими руками для транзисторов, если не будем соблюдать правила их пайки.
Я взял свой любимый трансформаторный паяльник Момент, включил его шнур питания в розетку, но кнопку включения не нажимал. Один конец провода мультиметра через крокодил посадил на жало, а второй — просто прислонил к пальцу. Установил режим вольтметра переменного тока.
Прибор показывает 28 вольт. Вот такие наводки создаются даже при обесточенном трансформаторе.
Продолжаю эксперимент. Черный щуп оставил на прежнем месте, а красный прислонил к диэлектрической поверхности табуретки, где размещены все приборы.
Почти 6,4 вольта. Когда отделил красный щуп воздушным пространством — показание стало вообще 8 вольт.
А ведь это совершенно случайные замеры, результаты которых зависят от множества факторов, что значит: напряжение может быть значительно больше или меньше.
Чтобы этого не допустить важно соблюдать обязательные рекомендации.
Как избежать скрытой опасности и безопасно работать паяльником: 5 рекомендаций
Совет №1: шунтирование выводов
Исключить повреждение полупроводниковых переходов при хранении и работе можно содержанием микросхем, транзисторов, изделий интегральной электроники в слое фольги.
Аналогичный результат, в частности, получается, если обмотать контакты их выводов тонкой медной проволочкой без изоляции.
Совет №2: снятие статики с работающего оборудования
Работать лучше всего профессиональной паяльной станцией с заземленным наконечником. Если ее нет, то заземлите отдельными проводниками жало паяльника и монтажную плату. Выводы транзистора зашунтируйте тонкой проволочкой, которая будет снята после пайки.
Снять опасный потенциал статики с пинцета и инструмента, которым будете работать, позволяет заземляющий браслет на руке или иной части тела. Его сопротивление в 1 МОм исключает возможность опасного статического разряда.
Совет №3: подготовка рабочего места
Сухой воздух северных широт, особенно зимой, способствует накоплению статики на окружающих предметах. Увлажнители и мойки воздуха успешно борются с этим явлением.
Антистатический коврик сразу надежно снимает статические потенциалы, воздействия электрических помех из окружающей среды.
Совет№4: профессиональные смеси
Специальный флюс марки FluxOff не только отлично смывает канифоль и следы от коррозии, но реально убирает статику. Им достаточно просто смочить плату.
Совет №5: быстрая пайка
Выбирайте минимально необходимую мощность паяльника, но работайте им быстро. Опытные ремонтники умудряются разогреть жало, взять им припой, обесточить паяльник и затем припаять деталь на место.
Часть современных микросхем и транзисторов имеет защиту от статики, но это не отменяет необходимости соблюдать правила безопасной пайки со всеми остальными изделиями.
Как проверить полевой транзистор мультиметром и специальным тестером
Автор С Косенко из Воронежа в журнале Радио №1 за 2005 год показал свою разработку прибора проверки полевых транзисторов. Его имя: ППТ-01. Он объяснил принципы его работы, сборки, наладки, эксплуатации доступным языком.
Новичкам это все должно быть интересно, советую читать такие журналы и больше экспериментировать. Вам нужен практический опыт.
Сейчас подобные приборы выпускаются промышленным способом. Они позволяют проверять транзисторы, тиристоры, симисторы и другие электронные компоненты, точно узнать каждый параметр.
Доступная цена и широкие возможности этих тестеров обеспечивают их популярность. Ведь вся проверка сводится к установке выводов полупроводника в контактные гнезда и нажатию кнопки: результат автоматически отображается на дисплее.
Однако все эти операции вполне можно выполнить обычным цифровым мультиметром или аналоговым стрелочным тестером. Для этого нам потребуется посмотреть заводскую маркировку и найти по ней технические характеристики, определиться с конструкцией (JFET или MOSFET) и проводимостью канала.
Затем нужно вспомнить устройство своего мультиметра или тестера, перевести его в режим прозвонки либо измерения сопротивлений (для аналоговых приборов).
На моем карманном MESTEK MT-102 плюс присутствует на красном щупе, а минус — на черном. У вас скорее всего аналогично, но проверьте. Знак дисплея 0L (или 1 на других моделях) означает величину сопротивления (∞), которая превышает предназначенный диапазон измерения.
Проверку выполняем двумя этапами, последовательно соблюдая очередь:
- оцениваем исправность цепи сток-исток или, более точно, встроенного диода;
- анализируем открытие и закрытие выходной цепи при подаче управляющего сигнала.
Режим проверки №1
Перед началом работы кратковременно зашунтируйте все выводы полевика. Этим действием убирается возможный потенциал на его электродах, который может помешать замеру.
Результаты измерений на табло показываю для исправного мосфета. У поврежденного переходы будут отличаться: пробиты или оборваны.
На картинке показываю два измерения для n-канального транзистора. Схему его собрата с p-каналом привел для образца в правом нижнем углу. Действия для него аналогичны, а результат зависит от проводимости.
При первом замере ставим красный щуп с потенциалом плюса на сток, а черный на исток. Если диод исправен, то показания на приборе будут порядка 400-600. Это величина падения напряжения в милливольтах. Таким способом мультиметр в режиме прозвонки оценивает состояние полупроводникового перехода p-n полярности.
Для второго замера меняем щупы местами. Диод закрыт, его огромное сопротивление показывается как 0L.
Очередность этих замеров можно произвольно изменять.
Проверка мосфета положительной проводимости проводится аналогично, а индикацию на табло вам подскажет направление встроенного диода на рисунке.
Режим проверки №2
Оставляем черный щуп на истоке, а красный переставляем на затвор. Этим действием мы подаем ему положительный потенциал с мультиметра. На табло будет отображаться 0L, но транзистор должен открыться.
Проверяем открытие перестановкой красного щупа на сток. Изменение показаний на табло (единицы или десятки) станет достоверной информацией об его открытии. В этом можно убедиться, поменяв щупы между стоком и истоком. Показания останутся примерно в тех же пределах.
Теперь потребуется закрыть мосфет. Смотрим на замер №3: красный щуп ставим на исток, черный — затвор. Показание 0L.
Логика проверки p-канального типа полевика аналогична. Только надо помнить, что он открывается подачей отрицательного напряжения на затвор относительно истока, то есть «прижимается к земле».
Однако описанный метод не во всех случаях может обеспечить достоверные результаты. И дело здесь кроется в конструкции вашего мультиметра. Его выходного напряжения может просто не хватить для подачи отпирающего или запирающего потенциала на затвор.
Поэтому более достоверную проверку выполняют двумя мультиметрами:
- одним контролируют состояние перехода сток-исток;
- вторым управляют потенциалом на затворе.
Естественно, что заменить один из мультиметров можно самодельным источником напряжения, например, двумя батарейками АА (3 вольта) или омметром с предварительно оцененными характеристиками.
Принцип таких измерений показывает в своем видеоролике Дмитрий Гильмутдинов. Рекомендую посмотреть.
Тема эта большая и сложная. Одной статьей сайта проблемно рассмотреть все про полевой транзистор: принципы работы для новичка, дать точный ответ. Поэтому задавайте вопросы в комментариях. Будем приходить к общему мнению.
Добрый вечер! Я тоже инженер механик. Интересная статья!
Благодарю за комментарий, Николай.
круто
Благодарю, Павел