Ключ на MOSFET-транзисторах

Описание переходных процессов

Рассмотрим переходные процессы, происходящие в ключе при подаче на его вход прямоугольного импульса. Временные диаграммы, иллюстрирующие изменение тока базы iб(t), заряда Q(t),.тока коллектора Iк(t) и т. д. изображены на рис. 4.

Исходное состояние. В исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки, поскольку напряжение на входе Uвх= U0 меньше порога отпирания. Рабочая точка на семействе выходных характеристик и на передаточной характеристике находится в точке А (см. рис. 1.14, 1.17).

Включение. В момент t=t1 на вход ключа подается положительный импульс, амплитуда которого больше порогового значения. Этот импульс вызывает появление в цепи базы перепада тока. Ток базы во время действия входного импульса можно считать практически неизменным, так как входное сопротивление транзистора обычно много меньше сопротивления R.

Процесс включения транзисторного ключа обычно подразделяют на два этапа: задержка включения (или подготовка включения) и формирование фронта выходного импульса.

Задержка включения. Интервал времени t1-t2 от момента подачи входного импульса до начала нарастания коллекторного тока, определяет время задержки включения tЗ. Транзистор в это время находится в режиме отсечки.

Возникновение задержки при включении ключа объясняется зарядом барьерных емкостей Сэ и Ск током БАЗЫ. В процессе заряда напряжение на емкостях Сэ и Ск под действием входного импульса нарастает от значения U0, стремясь к U1.

Рабочая точка на нагрузочной прямой за время задержки не меняет своего положения.

Заряд барьерных емкостей происходит в цепи первого порядка с постоянной времени rЗ=R(Ск Сэ). Практически время задержки весьма мало, поэтому им часто пренебрегают.

Формирование фронта происходит в интервале t2-t3 . В момент времени t2 напряжение на базе становится равным пороговому, транзистор открывается и переходит в активный режим. Начинается накопление заряда неосновных носителей, инжектированных в базу.

В момент t3, когда заряд достигает граничного значения коллекторный переход смещается в прямом направлении и транзистор переходит в состояние насыщения. Рост коллекторного тока прекращается, поскольку он оказывается ограниченным параметрами внешней цепи:

/К = / К нас = Ек / Rк .

За время формирования фронта рабочая точка по нагрузочной прямой перемещается из точки А в точку Б (см. рис. 2). Интервал времени t2-t3, в течение которого коллекторный ток меняется от 0 до /К нас, называется длительностью фронта. Транзистор в это время находится в активном режиме.

Накопление избыточного заряда. После окончания формирования фронта в момент времени t3 транзистор переходит в режим насыщения. Коллекторный переход смещается в прямом направлении. Коллекторный ток практически постоянен и равен / К нас . Однако заряд в базе продолжает нарастать, стремясь к стационарному значению, определяемому входным током.

Избыточный заряд возникает только в том случае, если ток базы превышает значение /Б нас. В режиме насыщения нарушается пропорциональность между током базы и током коллектора. Коллекторный ток уже не может следовать за базовым, так как он ограничен сопротивлением Rк- В противном случае закон изменения коллекторного тока повторял бы закон изменения заряда Q(t), вызываемое током базы.

Необходимо отметить, что при переходе транзистора в режим насыщения изменяется время жизни неосновных носителей в базе, которое для области насыщения обозначается символом Тнас и называется постоянной времени транзистора в области насыщения. Постоянная времени Тнас определяет как процесс накопления, так и стационарный уровень заряда в базе.

В режиме насыщения рабочая точка на нагрузочной прямой остается в точке Б, а на передаточной характеристике перемещается из точки Д в точку Б.

Выключение. В момент времени t4 действие входного отпирающего импульса заканчивается. Возникает обратный ток базы. Под воздействием процесса рекомбинации заряд неосновных носителей в базе уменьшается. Спустя некоторое время транзистор выходит из насыщения и переходит в активную область, а затем запирается.

Процесс выключения можно разделить на два этапа: рассасывание избыточного заряда и формирование спада импульса.

Рассасывание избыточного заряда. Происходит в течение интервала времени t4-t5. Этот процесс является причиной возникновения задержки при выключении ключа. Заряд неосновных носителей в базе мгновенно измениться не может, поэтому требуется время, чтобы он уменьшился от стационарного значения в режиме насыщения Qст до граничного значения.

Время, в течение которого транзистор продолжает оставаться в режиме насыщения после окончания входного импульса, называется временем рассасывания.

К концу процесса рассасывания рабочая точка на передаточной характеристике перемещается в точку Д, а положение рабочей точки на нагрузочной прямой не меняется.

Читайте также:  Эцп казначейства для торгов

Формирование среза импульса. Начинается в момент времени t5,, когда избыточный заряд уменьшается до нуля. Коллекторный переход смещается в обратном направлении, и транзистор из режима насыщения переходит в активный режим. В течение интервала t5-t6, называемого длительностью среза, заряд в базе продолжает убывать, уменьшаясь от Qrp до нуля, рабочая точка как на нагрузочной прямой, так и на передаточной характеристике возвращается в точку А.

Далее в течение некоторого времени t6,-t7 происходит изменение заряда барьерных емкостей переходов Сэ и Ск. За время этого процесса ток базы уменьшается до нуля, а на базе устанавливается исходное напряжение Uo.

1. Общие сведения

Одним из основных элементов импульсной и цифровой техники является ключевое устройство. Ключевые устройства (ключи) служат для коммутации (переключения) цепей нагрузки под воздействием внешних управляющих сигналов. Ключи входят в качестве отдельных элементов в состав сложных устройств – триггеров, мультивибраторов и т. д.

Ключ может находиться либо в замкнутом, либо в разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии (ключ включен) сопротивление ключа мало, через него течет большой ток и все напряжение источника выделяется на резисторе R. Напряжение на выходе Uвых равно нулю.

В разомкнутом состоянии (ключ выключен) сопротивление ключа бесконечно большое, поэтому ток через него практически не протекает. Напряжение на выходе Uвых равно Е. Следовательно, при коммутации ключа на выходе создаются перепады напряжения с амплитудой Um=E.

В зависимости от вида элемента, применяемого для коммутации, ключевые устройства подразделяются на механические, электромеханические и электронные. Примером механического ключа является обычный выключатель. Электромагнитное реле выполняет функции электромеханического ключа, который под воздействием электрического управляющего сигнала производит коммутацию контактов.

Для построения электронных ключей используют диоды, транзисторы, электронные лампы и т. д. В зависимости от того, какой прибор использован, различают диодные, транзисторные, ламповые и т. п. ключи.

При создании транзисторных ключей используются биполярные или полевые транзисторы.

3. Влияние изменения параметров схемы ключа на его работу

Значения элементов и напряжений в схеме транзисторного ключа влияют на длительности соответствующих процессов.

Изменение параметров коллекторной цепи Rк и Ек приводит к изменению тока /к нас и влияет на длительности всех трех процессов. Например, уменьшение Ек до Е’к ведет к уменьшению /К нас до /’К нас.

/K нас транзистор выходит на границу насыщения при меньшем токе базы, поэтому все дальнейшее увеличение тока базы вызывает накопление избыточного заряда, что ведет к увеличению времени рассасывания.

Спадать коллекторный ток начнет с меньшего значения, поэтому время среза уменьшится. Уменьшение /К нас из-за увеличения Rк влияет на изменение времен двояко. С одной стороны, при уменьшении /К нас уменьшаются длительности фронта и среза и увеличивается время рассасывания.

Но, с другой стороны, особенно при использовании дрейфовых транзисторов, увеличивается постоянная времени транзистора в активном режиме вследствие увеличения слагаемого, обусловленного внешним инерционным фактором. Это увеличение приводит к увеличению tc, поэтому изменением Rк можно изменять потребляемую мощность и пропорционально ей изменять быстродействие при условии, что длительность рассасывания сравнительно мала.

Прямой ток включения базы /Б можно увеличить, повысив напряжение Uвх. При этом длительность фронта уменьшается из-за увеличения скорости нарастания тока, а длительность рассасывания увеличивается вследствие накопления избыточного заряда.

Длительность среза остается неизменной. При изменении сопротивления R, например уменьшении, происходит пропорциональное увеличение тока базы, процесс включения протекает быстрее. Сокращается и процесс выключения, поскольку ток /К спадает от /К нас до нуля с большей скоростью, стремясь к более низкому уровню. Время рассасывания увеличивается.

Рассмотренные примеры показывают, что изменение режимов работы транзистора, работающего по схеме ключа, не позволяет заметно повысить его быстродействие, поскольку при неизменной потребляемой мощности уменьшение длительности одних процессов сопровождается увеличением длительности других. Для повышения быстродействия используют более сложные схемы ключей.

Chipinfo

Ключ на полевых транзисторах

31 Января 2021


Полевые МОП-транзисторы (

metal-oxide-semiconductor field effect transistor, сокращенно «MOSFET»

) очень удобны для использования в качестве ключа для управления мощной нагрузкой постоянного тока. Следует лишь соблюдать несколько простых правил при их использовании.

включение MOSFET в качестве ключа

  1. Из-за того, что в открытом состоянии транзистор имеет очень малое сопротивление сток-исток, падение напряжения на нём мало. Именно поэтому имеет значение в какое “плечо” включать нагрузку. Например, для открытия полевого транзистора N-типа на затвор нужно подать положительное напряжение относительно истока – если при этом включить нагрузку в цепь истока, то напряжение на истоке будет равно:

    Uпит – (I · Rотк.)

    Здесь Rотк. это сопротивление открытого транзистора. Так как данное сопротивление мало (десятки-сотни миллиом), если притянуть затвор к питанию, разница напряжений между затвором и истоком будет недостаточна для полного открытия транзистора даже при большом токе. Данное ограничение можно обойти используя разные источники для питания нагрузки и для управления затвором, но нужно чётко понимать как это работает.

  2. Одна из особенностей подключения MOSFET транзистора к цифровым схемам – это необходимость подачи достаточного напряжения затвор-исток. В даташитах на транзистор пороговое напряжение затвор-исток (gate-source), при котором он начинает открываться называется gate threshold voltage (VGS). для полного открытия таким транзисторам надо подать на затвор довольно большое напряжение. Обычно это около 10 вольт, а микроконтроллер чаще всего может выдать максимум 5В. Есть несколько вариантов решения данной проблемы:
    • На биполярных транзисторах соорудить цепочку, подающую питание с высоковольтной цепи на затвор.
    • 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 как верхнего так и нижнего плеча (или совмещенные, полумостовые). Выбор драйвера зависит от схемы включения нагрузки и коммутирующего транзистора. Для того, чтобы открыть N-канальный транзистор в верхнем плече, ему на затвор нужно подать напряжение выше напряжения стока, а это, по сути дела, выше напряжения питания. Для этого в драйвере верхнего плеча используется накачка напряжения. Этим и отличается драйвер нижнего плеча от драйвера верхнего плеча.

      Микросхемы-драйверы MOSFET транзисторов

    • Также возможно просто использовать транзистор с малым отпирающим напряжением (т.н. logic level транзисторы). 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.
  3. Никогда не оставляйте затвор “болтаться” в воздухе – так как транзистор управляется “полем”, на затворе могут наводиться помехи от окружающих электро-магнитных полей, поэтому желательно всегда притягивать его через большое сопротивление либо к питанию, либо к земле, в зависимости от схемы. Сказанное верно, даже если вы используете микроконтроллер для управления транзистором – это поможет избежать неопределённых состояний, когда управляющее устройство, например, перезагружается.
  4. Наличие емкости на затворе создаёт бросок “зарядного” тока при открытии, поэтому для его ограничения рекомендуется ставить небольшой резистор в цепь затвора. Ограничив ток резистором вы также увеличите время открытия транзистора.
  5. Для шунтирования импульса тока, образующегося при отключении индуктивной нагрузки, добавляют быстрый защитный диод (TVS-диод), включённый параллельно истоку-стоку. Если имеется однонаправленный супрессор используется обратное включение, хотя допустимо также использовать двунаправленные TVS-диоды. Также, если транзисторы работают в мостовой или полумостовой схеме на высокой частоте (индукционные нагреватели, импульсные источники питания и т.п.), то в цепь стока встречно включается диод Шоттки для блокирования паразитного диода. Паразитный диод имеет большое время запирания, что может привести к сквозным токам и выходу транзисторов из строя.
  6. Если вы планируете использовать полевой транзистор в качестве быстрого высокочастотного ключа иили для коммутации мощной или индуктивной нагрузки, необходимо использовать т.н. снабберные цепи – часть схемы, замыкающая токи переходных процессов на себя, уменьшая паразитный нагрев транзистора. Снаббер также защищает от самооткрывания транзистора при превышении скорости нарастания напряжения на выводах сток-исток.

Принцип работы ключа

В качестве основного примера рассмотрим транзисторный ключ на кремниевом транзисторе типа п-р-п. Такие ключи являются одним из основных элементов интегральных микросхем, они также могут быть реализованы и на дискретных элементах. Переход к транзисторам типа р-п-р сводится лишь к изменению полярности источников питания (в тех случаях, когда такой переход связан со схемными изменениями, они оговариваются дополнительно).

Наибольшее распространение получил транзисторный ключ по схеме с общим эмиттером. Его принципиальная схема приведена на рис. 1. Транзисторный ключ может находиться в одном из двух состояний: ВЫКЛЮЧЕНО, когда транзистор закрыт и ключ разомкнут, и ВКЛЮЧЕНО, в этом случае транзистор открыт и ключ замкнут.

Ключем управляют, подавая на его вход управляющее напряжение Uвых. Включенному состоянию соответствует низкий положительный уровень входного сигнала Uвых=U0. Включенное состояние обеспечивается высоким положительным уровнем входного сигнала Uвых=U1.

Ключ удерживается в одном из состояний, пока на входе сохраняется соответствующий уровень сигнала. Резистор R ограничивает ток базы, Rк – коллекторная нагрузка, Ек – источник коллекторного напряжения. Транзистор ключа описывается с помощью семейства входных и выходных характеристик, изображенных на рис.2.

Особенностью входных характеристик кремниевого транзистора является наличие достаточно большого порога отпирания Uп.. При напряжении на базе, меньшем порога отпирания, транзистор всегда закрыт.

Для анализа работы ключа на семейство выходных характеристик наносят нагрузочную прямую, соответствующую определенному сопротивлению резистора Rк и пересекающую координатные оси в точках Ек и Ек/Rк. При изменении базового тока iб рабочая точка перемещается вдоль этой прямой, определяя в каждый момент времени коллекторный ток , напряжение между коллектором и эмиттером и режим работы транзистора.

Электронный ключ для домофона

Очень простая схема электронного ключа, который позволит пользоваться домофоном без специального ключа

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель

В этой статье мы рассмотрим очередную радиолюбительскую схему – электронный ключ для домофона. Данная радиолюбительская конструкция проста в исполнении и доступна ля повторения начинающему радиолюбителю.

Предыстория. Переехав в новую квартиру, я столкнулся с проблемой отсутствия электронных ключей для домофона. Управляющая компания обещала завести, но когда неизвестно, а ехать в фирму, установившую домофон, далеко, да и честно говоря не было большого желания.  Задавшись вопросом “А можно ли обойтись без этих таблеток?”, и зайдя в интернет,  обнаружил, что оказывается не я один столкнулся с такой проблемой. Результатом поисков стала нижеприведенная радиолюбительская схема:

Ключ на MOSFET-транзисторахКак видите, схема очень проста, и правильно собранная не требует наладки.

Принцип работы схемы. При наборе номера квартиры на домофоне входной двери подъезда в сеть домофона, установленного в квартире, поступает вызывное напряжение около 12 вольт. В это время транзисторы VT1 и VT2 открыты и сопротивление линии составляет около 50 Ом (ждущий режим стандартной трубки домофона). По мере заряда конденсатора С2 выход элемента D1.1 переключается на логический “0” и транзистор VT1 закрывается, сопротивление линии повышается до 150 Ом (режим поднятой трубки). Через некоторое время переключается элемент D1.2 и закрывается транзистор VT2, сопротивление сети при этом повышается до нескольких десятков кОм (режим нажатия кнопки открывания входной двери). Третьим переключается элемент D1.3 и принудительно переключает выход элемента D1.1 в логическую “1”, сопротивление сети падает до 50 Ом (режим перевода трубки в первоначальное положение).

Для проверки схемы можно, не впаивая резисторы R8 и R9, подключить светодиоды (как на схеме) и подать напряжение 12 Вольт на вход. При этом сначала должны светиться оба светодиода, затем гаснет левый, затем – правый, и в конце зажигается левый светодиод. Если этот алгоритм соблюдается, значит схема собрана правильно.

Данная конструкция показала свою надежность в многомесячной работе. Единственный недостаток – к сети домофона в квартире может быть подключен или электронный ключ, или сам домофон, третьего не дано. Из этого положения можно выйти двумя способами: или установить переключатель с домофона на ключ, или подключить схему в подъезде к номеру несуществующей квартиры (или к соседу  :-D). Саму схему можно собрать в любом подходящем корпусе или внутри основания трубки домофона.

Ключ на MOSFET-транзисторахКлюч на MOSFET-транзисторахА вот так маркируется разводка кабеля в подъезде (для подключения к несуществующей квартире, лично не проверял):

Ключ на MOSFET-транзисторах



Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector