Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере. Полевой транзистор в коммутаторе зажигания

Электронный коммутатор зажигания на полевом транзисторе для автомобилей ВАЗ | РадиоДом

Коммутатор предназначен для бесконтактной системы зажигания отечественных автомобилей марки ВАЗ. В отличие от промышленного образца на выходе конструкции присутствует мощный МДП транзистор — IRF462 выдающий мощность не менее 280 ватт и обеспечивающий током через катушку зажигания до 10 ампер, что в 2-3 раза больше максимального тока стандартного коммутатора. Электронный коммутатор на полевом транзисторе для автомобилей ВАЗ

Электронный коммутатор на полевом транзисторе для автомобилей ВАЗ

Благодаря использованию микросхемы K561Лh3 устройство получается довольно простым, импульсы от датчика Холла поступают на триггер Шмитта выполненного на элементах D1.1 D1.2, который формирует импульсы с крутым задним фронтом, что позволяет увеличить скорость отключения источника тока от катушки зажигания, что приводит к повышению ЭДС в катушки, а следовательно и напряжению на ее вторичной обмотке.После триггера следует инвертор и усилитель мощности импульсов которые в последствии поступают на мощный транзистор. С3 совместно с первичной обмоткой катушки зажигания создает колебательный контур, необходимый для возбуждения колебаний в катушке.Микросхема работает от параметрического стабилизатора на элементах VD1R3 (7 вольт), от этого напряжения так же питается датчик Холла, который расположен в трамблере.

Радиокомпоненты устройства:Микросхема К561ЛН2 располагается на демонтированной плате вверх ногами.VT1 - IRF462 заменим на похожие по параметрам, например те же зарубежные IRF460, IRF470, IRF350.C1 - 1 мкФC2 - 0,22 мкФC3 - 0,22 мкФ х 400 вольтR1 - 10 кОмR2 - 100 кОмR3 - 100 ОмR4 - 4,7 ОмVD1 - Д814АVD2 - КД209А

Полевой транзистор как коммутатор (JFET)

Добавлено 5 апреля 2018 в 07:38

Сохранить или поделиться

Глава 5 - Полевые транзисторы

Как и биполярный родственник, полевой транзистор может использоваться в качестве коммутатора вкл/выкл, управляющего подачей питания на нагрузку. Давайте начнем исследование использование полевого транзистора в качестве коммутатора со знакомой схемы включения лампы:

Помня о том, что управляемый ток в полевом транзисторе течет между истоком и стоком, мы заменяем контакты ключа на рисунке выше выводами истока и стока:

Схема включения лампы на полевом транзисторе

Если вы еще не заметили, выводы истока и стока полевого транзистора выглядят на условном обозначении одинаково. В отличие от биполярного транзистора, где эмиттер четко отличается от коллектора наличием стрелки, линии истока и стока полевого транзистора выглядят как линии, перпендикулярные полосе, представляющей полупроводниковый канал. Это не случайно, поскольку выводы истока и стока полевого транзистора на практике часто являются взаимозаменяемыми! Другими словами, полевые транзисторы обычно способны обрабатывать ток канала любого направления, от истока к стоку или от стока к истоку.

Теперь всё, что нам нужно на схеме, – это способ управления проводимостью полевого транзистора. При нулевом приложенном напряжении между затвором и истоком канал полевого транзистора будет "открыт", что позволит току протекать к лампе. Чтобы выключить лампу, нам нужно будет подключить еще один источник постоянного напряжения между выводами затвора и истока полевого транзистора следующим образом:

Подключение второго источника напряжения

Замыкание этого ключа "пережмет" канал полевого транзистора, заставив его перейти в режим отсечки и выключить лампу:

Обратите внимание, что через затвор ток не протекает. Как PN переход с обратным смещением, он твердо противостоит потоку через него любых электронов. Как устройство, управляемое напряжением, полевой транзистор требует незначительного входного тока. Это является достоинством полевого транзистора по сравнению с биполярным транзистором: для управляющего сигнала требуется практически нулевая мощность.

Размыкание управляющего ключа должно снова отключить от затвора постоянное напряжение обратного смещения, таким образом позволяя транзистору снова открыться. В идеале, так это должно работать. На практике это может не работать вовсе:

После размыкания ключа ток через лампу не протекает!

Почему? Почему канал полевого транзистора не открывается снова и не пропускает ток через лампу, как он делал ранее без напряжения, приложенного между затвором и истоком? Ответ заключается в работе обратно смещенного перехода затвор-исток. Область истощения в этом переходе действует как изолирующий раздел, отделяющий затвор от истока. Таким образом, он обладает определенной емкостью, способной хранить потенциал электрического разряда. После того, как этот переход был принудительно обратно смещен подачей внешнего напряжения, он будет стремиться удерживать это напряжение обратного смещения, как сохраненный заряд, даже после того, как источник этого напряжения был отключен. То, что необходимо для повторного открытия полевого транзистора, заключается в том, чтобы слить этот накопленный заряд между затвором и истоком через резистор:

Через резистор стекает заряд, сохраненный в PN переходе, чтобы позволить транзистору открыться снова

Величина резистора не очень важна. Емкость перехода затвор-исток полевого транзистора очень мала, и поэтому даже довольно высокоомный разрядный резистор создает быструю постоянную времени RC цепи, позволяя транзистору снова начать проводить ток с небольшой задержкой после размыкания ключа.

Как и с биполярным транзистором, не имеет большого значения, откуда подается управляющее напряжение. Мы могли бы использовать солнечный элемент, термопару или любой другой тип устройства, генерирующего напряжение, чтобы обеспечить напряжение, управляющее проводимостью полевого транзистора. Всё, что требуется от источника напряжения для работы коммутатора на полевом транзисторе, – это достаточное напряжение, чтобы обеспечить отсечку канала полевого транзистора. Этот уровень обычно составляет несколько вольт постоянного напряжения и называется напряжением срабатывания или отсечки. Точное напряжение срабатывания для любого заданного полевого транзистора является функцией его уникальной конструкции и не является универсальным значением, например, как 0,7 В для напряжения перехода база-эмиттер кремниевого биполярного транзистора.

Подведем итоги:

Полевые транзисторы управляют током между выводами истока и стока с помощью напряжения, приложенного между затвором и истоком. В полевом транзисторе (JFET) имеется PN-переход между затвором и истоком, который для управления током исток-сток обычно смещается в обратном направлении.
Полевые транзисторы являются обычно нормально открытыми (нормально насыщенными) устройствами. Прикладывание напряжения обратного смещения между затвором и истоком приводит к расширению области истощения этого перехода, тем самым "пережимая" канал между истоком и стоком, через который проходит управляемый ток.

Может потребоваться установить "отводящий" резистор между затвором и истоком, чтобы разрядить сохраненный заряд, накопленный естественной емкостью перехода, когда будет снято управляющее напряжение. В противном случае заряд может сохраняться, удерживая полевой транзистор в режиме отсечки даже после отсоединения источника питания.

Оригинал статьи:

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

Ремонт автомобильного коммутатора | Мастер Винтик. Всё своими руками!

Ремонт автомобильного коммутатора

Как проверить и отремонтировать самому коммутатор?

Если с некоторыми неисправностями на машине можно как-то доехать до пункта ремонта, то с неисправным коммутатором двигатель вообще не заведётся. Некоторые водители часто возят с собой запасной коммутатор. В этой статье рассмотрим принцип работы, некоторые неисправности автомобильного коммутатора и способы его ремонта.

Возможные причины выхода из строя коммутатора

Часто коммутатор выходит из строя из-за попадания в него воды. В следствии чего выходит из строя микросхема кр1055хп4 (аналог L497B),
Из-за перенапряжения или от времени часто выходит из строя выходной транзистор типа КТ8231А1, КТ8225А, КТ8232А1, КТД8252А, КТД8264А, КТД8267, КТ898А, КТ8127А1 (аналог BU941ZP).

Характеристики некоторых мощных транзисторов, применяемых в коммутаторах.

Наименование	Тип корпуса	Аналог	Структура	Рк mах, Вт	Uкб max, В	Uкэ max, В	Uэб max, В	Ik max (имп), A	h31е
КТ8127А1	ТО-218 (КТ-43)	BU941ZT(ZP)	NPN	100	1500	700	5	5(7,5)	35
КТ8231А1	ТО-218 (КТ-43)	BU941ZT(ZP)	NPN	155	350-450	350-500	5	15	300
КТ898А	ТО-218 (КТ-43)	BU931ZP/BU941ZT(ZP)	NPN	125	350	350	15	5	400
BU941ZT(ZP)	ТО-218 (КТ-43)	—	NPN	155	350	350	15	15(30)	400

Выдержка из схемы автомобиля

Стенд для проверки автомобильного коммутатора

Для проверки коммутатора собираем вот такой простой стенд как на рисунке ниже. Подключаем вместо катушки лампочку на 12 В.

Нормальная работа коммутатора

Когда проворачиваем ось трамблера с ДХ (датчиком холла) — загорается лампочка. Когда не крутим и лампочке не горит.

Немного о датчике Холла

Датчик Холла — магнитоэлектрическое устройство, получившее своё название от фамилии физика Холла, открывшего принцип, на основе которого впоследствии и был создан этот датчик. Попросту говоря — это датчик магнитного поля. Есть два вида датчиков Холла: аналоговые и цифровые.

Аналоговые датчики Холла

Аналоговые датчики Холла – преобразуют индукцию поля в напряжение, величина показанная датчиком зависит от полярности поля и его силы. Но опять же, нужно учитывать расстояние, на котором установлен датчик.

Цифровые датчики Холла

Цифровые датчики определяют наличие, либо же отсутствие поля. То есть, если индукция достигает некого порога — датчик выдаёт присутствие поля в виде некой логической единицы, если порог не достигнут – датчик выдаёт логический ноль. То есть, при слабой индукции и соответственно чувствительности датчика — наличие поля может быть не зафиксировано. Минус такого датчика – наличие зоны нечувствительности между порогами.

Цифровые датчики Холла так же разделены на: биполярные и униполярные.Униполярные – срабатывают при наличии поля определённой полярности и отключаются при снижении индукции поля.Биполярные – реагируют на смену полярности поля, то есть одна полярность – включает датчик, другая – выключает.

Проверка датчика Холла

Измерить напряжение на выходе датчика. Оно должно быть более 0,4 В.
Проверить наличие искры при включении зажигания. Для этого необходимо проводом замкнуть 1 и 2 вывод коммутатора.
Заменить заведомо исправным.

Немного о коммутаторах

В некоторых коммутаторах разный «логический» выход. У одних, например 131,3734-01 — логическая «1», а у других — «0». У кого «1» по умолчанию ( — это когда по умолчанию между контактами «+» и «КЗ» прибор показывает 12 вольт или приближенные к ним ) фактически рискуют спалить катушку в момент когда включено зажигание и не работает двигатель, создавая односторонний потенциал внутри катушки и не разряжая его, тем самым можно ощутить рукой быстрый нагрев катушки. Созданный потенциал начинает разряжаться только при рабочем двигателе. Плюс таких коммутаторов, в том, что можно использовать обычные (родные) катушки для контактного зажигания практически не нарушая старую цепь подключения катушки. Коммутатор в этом случае вставляется в разрыв провода от который шел от контакта прерывателя на катушку. Просто производится замена Трамблера и добавляется коммутатор.

В коммутаторе, например БСЗ 131.3734 соблюдена логика «0» по умолчанию. Если с катушкой комплекта коммутатора 131 3734 вы поставите с логикой «1» по умолчанию, то катушка будет жутко греться. Или же наоборот, на катушку предназначенную для коммутатора с логикой «1», поставите коммутатор 131 3734 — логика «0», то либо не будет искры, либо будет очень слабенькая или вообще можно испортить коммутатор.

П О П У Л Я Р Н О Е:

Звуковой сигнализатор поворотов

Звуковой сигнализатор поворотов

Чтобы не забыть выключить рычаг поворотов или ручника предлагаю свой автомобиль дополнить не сложным устройством — сигнализатором. Звуковой сигнализатор собран на распространённой и недорогой микросхеме К155ЛА3. Сигнализатор подключается к контрольной лампе поворотов или ручника. Подробнее…

Доработка реле поворотов 495.3747

Доработка реле поворотов 495.3747

В последнее время стало применение светодиодных автомобильных ламп. Они более долговечные и потребляют меньше тока. Последнее как раз и влияет на работу реле поворотов, изменяя его частоту. Периодичность работы реле привязана к сопротивлению нагрузки, то есть к установленным лампам. При увеличении сопротивления нагрузки, что именно и происходит при перегорании или размыкании одной из ламп реле начинает срабатывать наиболее часто. Тот же самый эффект наблюдается и при установке светодиодов в указатели поворотов, так как их потребляемая мощность меньше, а это значит сопротивление значительно больше.

Изучив материал данной статьи, вы сможете доработать штатное реле указателей поворотов для светодиодов, чтобы оно срабатывало с нужной вам периодичностью. Подробнее…

Индикатор контроля напряжения бортовой сети автомобиля

Индикатор контроля напряжения бортовой сети автомобиля Аккумулятор — достаточно дорогая деталь автомобиля. Поэтому за ней нужен уход и контроль! Ниже рассмотрим индикатор, который предназначен для контроля за напряжением автомобильной аккумуляторной батареи. Он контролирует напряжение бортовой сети автомобиля и от неё же питается.

Подробнее…

>>

ПОДЕЛИТЕСЬ С ДРУЗЬЯМИ:

Популярность: 25 294 просм.

www.mastervintik.ru

Транзисторные коммутаторы

В реальной контактно-транзисторной системе зажигания вместо транзистора 2 (см. рис. 3.10) применяется транзисторный коммутатор, в котором, кроме транзистора, имеется ряд элементов, служащих для защиты транзистора от перенапряжений и улучшения условий его переключения. Основной функцией транзисторного коммутатора является своевременное замыкание и размыкание первичной цепи катушки зажигания.

Одним из таких коммутаторов является коммутатор ТК102 (рис.3.11). Система зажигания с этим коммутатором работает аналогично рассмотренной ранее. Отличия вызваны наличием дополнительных элементов для управления транзистором. Импульсный трансформатор ИТ обеспечивает ускорение закрывания транзистора. Резистор R служит для формирования запирающего импульса. Диод VD1 препятствует прохождению через стабилитрон тока от аккумуляторной батареи. Стабилитрон VD2 ограничивает напряжение, предотвращая пробой транзистора. Конденсатор С1 снижает потери мощности в транзисторе в период его запирания и, следовательно, уменьшает нагрев транзистора. Добавочный резистор выполнен из двух секций R1 и R2. Секция R2 постоянно включена в цепь первичной обмотки катушки зажигания. Секция R1 при пуске закорачивается. Это необходимо из-за снижения напряжения аккумуляторной батареи при питании стартера

Рис. 3.11. Принципиальная схема контактно-транзисторной системы зажигания с транзисторным коммутатором ТК102

Контроллеры

Для управления углом опережения зажигания в зависимости от ряда параметров двигателя (углового положения и частоты вращения коленчатого вала, разрежения в околодроссельном пространстве карбюратора, температуры охлаждающей жидкости и др.), для управления электроклапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ), для управления накоплением энергии в катушке зажигания используются специальные электронные устройства - контроллеры. На вход контроллеров подается информация с датчиков начала отсчета, частоты вращения, разрежения в околодросселъном пространстве и температуры охлаждающей жидкости. Конструктивно контроллер может быть выполнен автономно или в едином блоке с транзисторным коммутатором. Перспективное направление развития контроллеров связано с применением микропроцессоров и микроЭВМ. Эти устройства способны быстро анализировать большой объем информации и, следовательно, эффективно управлять не только системой зажигания, но и другими системами, влияющими на работу автомобиля в целом.

3.4.2. Системы зажигания с накоплением энергии в емкости (тиристорные системы зажигания)

Системы зажигания с накоплением энергии в емкости делятся на системы зажигания с импульсным накоплением энергии и системы зажигания с непрерывным накоплением энергии.

Система зажигания с импульсным накоплением энергии представлена на рис. 3.12. На выходе преобразователя постоянного напряжения в импульсное напряжение (ПН) формируется импульсное напряжение с амплитудой 200-300 В. Оно подается через диод VD1 на накопительный конденсатор С1. Система работает в циклическом режиме. Рабочий цикл можно разбить на три этапа.

Рис. 3.12. Система зажигания с импульсным накоплением энергии в емкости

1этап. Этот этап начинается в момент размыкания контактов прерывателя (по сигналу с регулятора момента зажигания). При этом одновременно начинаются два процесса: процесс накопления энергии в ПН и процесс искрообразования. Образование искрыпроисходит, потому что по сигналу с устройства управления открывается тиристор VS1 и через него на свечу зажигания подается высокое напряжение с накопительного конденсатора С1. Энергия, накапливаемая в ПН, измеряется измерительным устройством. Информация о количестве этой энергии подается с измерительного устройства на устройство управления. Когда в ПН накапливается достаточное количество энергии, устройство управления подает сигнал на ПН, по которому начинается второй этап рабочего цикла.

2 этап. На этом этапе энергия, накопленная в ПН, сбрасывается в накопительный конденсатор (импульсное накопление энергии).

3 этап. На этом этапе происходит хранение энергии в накопительном конденсаторе С1. Для предотвращения утечки энергии в цепь питания конденсатора включен диод VD1.

Следует отметить, что в многоискровых системах зажигания по сигналу с регулятора момента зажигания реализуется сначала несколько двухэтапных циклов (оптимально - два цикла), состоящих только из первого и второго этапов, а затем один полный, трехэтапный, цикл. Система зажигания с непрерывным накоплением энергии представлена на рис.3.13. Данная система работает следующим образом. Преобразователь напряжения преобразует напряжение аккумуляторной батареи 12 В в высокое напряжение 300-400 В. В накопительном конденсаторе С1 накапливается энергия искрообразования. При замыкании контактов прерывателя (или по соответствующему сигналу с регулятора момента зажигания) устройство управления формирует сигнал, по которому электронный коммутатор подключает накопительный конденсатор к выходу ПН, где имеется высокое напряжение 300-400 В. Конденсатор заряжается до этого напряжения. В момент размыкания контактов прерывателя устройство управления формирует сигнал, по которому электронный коммутатор подключает накопительный конденсатор к первичной обмотке катушки зажигания. В контуре, образованном конденсатором d и первичной обмоткой катушки зажигания, возникают затухающие синусоидальные колебания. Амплитуда напряжения первой полуволны этих колебаний близка к напряжению заряда накопительного конденсатора. При этом во вторичной обмотке катушки зажигания индуцируется высокое напряжение, достигающее 20-30 кВ.

Рис. 3.13. Система зажигания с непрерывным накоплением энергии в емкости

Системы зажигания с накоплением в емкости имеют перед системами зажигания с накоплением в индуктивности ряд преимуществ: 1) меньшее потребление энергии при хранении энергии в накопителе; 2) более крутое нарастание вторичного напряжения, а значит, меньшее рассеяние из-за утечки тока во вторичной цепи.

Основными недостатками систем зажигания с накоплением в емкости являются: 1) небольшая длительность искры; 2) наведение мощных радиопомех. Первый недостаток устраняется использованием дополнительных источников энергии для поддержания искры (аккумуляторная батарея, автомобильный генератор, дополнительные накопительные конденсаторы). Второй недостаток частично устраняется сокращением длины проводов во вторичной цепи, применением помехоподавительных резисторов, экранированием.

Ключи на полевых транзисторах в схемах на микроконтроллере

Полевые транзисторы служат опорой современной микроэлектроники. Без них не было бы ни СБИС, ни ПЛИС, ни MK. Все современные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки построены на полевых транзисторах, и достойной альтернативы им пока не видно.

На выходах портов MK находятся каскады с полевыми транзисторами. Казалось бы, что подключить к ним ещё одного полевого «тёзку» — проще простого. Однако новичок-радиолюбитель впадает в шоковое состояние, узнав, что существуют десятки разновидностей полевых транзисторов с разной структурой проводимости, разной топологией изоляции затвора, разной технологией легирования канала, разными фирменными названиями и брэндами, а также разными условными графическими изображениями на электрических схемах.

К счастью, в цифровой, импульсной и преобразовательной технике, как правило, используются полевые МДП-транзисторы с изолированным затвором, имеющие n- или -проводимость канала. Это достаточно узкий класс электронных приборов, хорошо исследованный и легко поддающийся изучению.

Для прямого сопряжения с MK подойдут те полевые транзисторы, которые имеют низкое напряжение отсечки «затвор — исток» (параметр Gate Theshold Voltage в пределах 0.5…2.5 В). Технологические достижения последнего десятилетия сделали такие транзисторы малогабаритными и дешёвыми. Мощные полевые транзисторы обычно подключаются к MK через буферные каскады.

Если сравнивать полевые и биполярные транзисторы, то выводы «база — коллектор — эмиттер» (Base — Collector — Emitter) в первом приближении эквивалентны выводам «затвор — сток — исток» (Gate — Drain — Source). Соответственно, схемы ключевых каскадов у них будут очень похожими. Из отличий — полевые транзисторы управляются напряжением, а не током. Они имеют высокое входное и низкое выходное сопротивление, что улучшает экономичность. С другой стороны, большая ёмкость перехода «затвор — исток» 100…3000 пФ снижает быстродействие, а значительный технологический разброс параметров заставляет проектировать схемы с перестраховкой и с запасом «на всякий пожарный случай».

На Рис. 2.69, а…ж и Рис. 2.70, a…r приведены схемы ключевых каскадов соответственно с одним и двумя полевыми транзисторами. На Рис. 2.71, a…r представлены варианты совместного включения полевых и биполярных транзисторов.

Таблица 2.11. Параметры полевых транзисторов

В Табл. 2.11 приведены типовые параметры полевых транзисторов разной мощности. Транзисторы с я-каналом аналогичны транзисторам структуры п—р—п, а транзисторы с -каналом — транзисторам структуры р—п—р. Только вот стрелки на условном изображении полевых транзисторов имеют направление, прямо противоположное своим биполярным аналогам.

Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (начало):

а) классический инвертирующий ключ на л-канальном транзисторе VT1. Главным параметром при выборе транзистора является напряжение отсечки затвора, которое при рабочем токе нагрузки RH не должно превышать напряжение питания MK. Резистор R3 (R1) сопротивлением 51…510 кОм ставят, чтобы транзистор VT1 был закрыт в следующих случаях: при рестарте MK, при срабатывании супервизора просадок питания, при пропадании напряжения +5 В, при переводе линии MK в Z-состояние. Резистор R3 ускоряет разряд ёмкости затвора. Резистор R2 защищает линию MK от наводок большой амплитуды через цепь затвора со стороны стока при коммутации мощных нагрузок. Он обязателен при высоких напряжениях в нагрузке и большом уровне помех. Резисторы R1, R3 допускается не ставить, если нагрузка не критична к случайным включениям. По большому счёту затвор полевого транзистора VT1 в данной схеме может «висеть в воздухе», поскольку его защищают от статического электричества внутренние диоды MK;

б) диоды VD1, VD2 ставят для защиты полевого транзистора VT1 от выбросов напряжения в индуктивной нагрузке и для снижения помех в цепи питания. Современные полевые транзисторы серии MOSFET имеют встроенные мощные диоды, аналогичные VD2. Резисторы R1, R2 можно не ставить при низких напряжениях и резистивной нагрузке;

в) гальванически изолированое включение/выключение транзистора VT1. На выходе MK генерируется ВЧ-сигнал, который выпрямляется и фильтруется элементами VD1…VD4, C3, R2. Стабилитрон VD5 защищает затвор транзистора VT1. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита N30, обмотка I содержит 15, а обмотка II — 30 витков провода ПЭВ-0.2;

г) ключ на полевом -канальном транзисторе VT1 эквивалентен ключу на биполярном транзисторе р—п—р. При ВЫСОКОМ уровне на выходе МК транзистор VT1 закрыт, а при переводе в режим входа с Z-состоянием транзистор открывается из-за наличия резистора R1\ О

О Рис. 2.69. Схемы подключения одного полевого транзистора к MK (окончание):

д) предохранитель FU1 срабатывает при аварийном токе в нагрузке RH;

е) часть схемы электронного дверного звонка. Защита транзистора VT1 производится варторами RU1, RU2n конденсатором C1. Индикатор прихода гостей — светодиод HL1\

ж) диод VD1 защищает линию МК от высокого напряжения при пробое транзистора VT1 и от наведенных помех при наличие мощной индуктивной нагрузки RH.

а) последовательное включение n- и -канальных транзисторов VT1, VT2 для коммутации «высоковольтной» нагрузки RH. Диод VD1 ускоряет разряд ёмкости затвора транзистора VT1\

б) параллельное включение двух полевых транзисторов для увеличения тока нагрузки;

в) DA1 — это специализированный драйвер (фирма International Rectifier), обслуживающий мощные полевые транзисторы VT1, VT2 (ток до 1.5 А). Диод VD1 повышает надёжность; О

О Рис. 2.70. Схемы подключения двух полевых транзисторов к MK (окончание):

г) преобразователь постоянного напряжения 12 В в переменное напряжение 220 В (DC/AC). Двухтактный каскад на транзисторах K77, VT2 управляется буферной логической микросхемой DD1. Сигналы с выходов МК должны быть противофазными, но с небольшой «бестоковой» паузой, равной 10% от длительности периода (для устранения сквозныхтоков и повышения КПД). Конденсатор С/ компенсирует реактивность обмотки трансформатора T1 и приближает форму выходного сигнала 50 Гц к синусоиде.

Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(начало):

а) буферный биполярный транзистор VT1 управляет мощным полевым транзистором VT2. Подбором резистора R4 можно уменьшить выбросы напряжения на стоке транзистора VT2, возникающие в момент переключения сигнала;

б) биполярный ключ на транзисторе VT1 (возможная замена KT503) ускоряет разряд ёмкости затвора мощного полевого транзистора VT2. Конденсатор C1 увеличивает крутизну фронта сигнала, поступающего с выхода MK. Резистор R1 обеспечивает открытое состояние транзистора VT1 и закрытое состояние транзистора VT2 при рестарте MK; О

О Рис. 2.71. Схемы подключения одного полевого и одного биполярного транзисторов к MK

(окончание):

в) резисторы R1, R2 одновременно не дают «висеть в воздухе» базе транзистора VT1 и затвору транзистора VT2npu рестарте MK;

г) маломощный биполярный транзистор VT1, как правило, дешевле полевого аналога, а полевой транзистор VT2 обеспечивает более низкое падение напряжения в открытом состоянии, чем биполярный аналог.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

nauchebe.net

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.

Но вообще, правильней все же ставить драйвер, ведь кроме основных функций формирования управляющих сигналов он в качестве дополнительной фенечки обеспечивает и токовую защиту, защиту от пробоя, перенапряжения, оптимизирует скорость открытия на максимум, в общем, жрет свой ток не напрасно.

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 ID выбираешь транзистор по максимальному току для твоей нагрузки, лучше с запасом процентов так на 10. Следующий важный для тебя параметр это VGS — напряжение насыщения Исток-Затвор или, проще говоря, управляющее напряжение. Иногда его пишут, но чаще приходится выглядывать из графиков. Ищешь график выходной характеристики Зависимость ID от VDS при разных значениях VGS. 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 ton,toff, в общем, как то так. Ну, а частота это 1/t. Также не лишней будет посмотреть на емкость затвора Ciss 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.

easyelectronics.ru

Как работает транзистор: схемы

Для усиления электрических импульсов используются полупроводниковые триоды. Так как работает транзистор за счет изменения напряжения в сети, он может регулировать силу тока в определенном электрическом устройстве.

Виды транзисторов

Транзистор – это полупроводниковый активный радиоэлемент, который необходим для генерирования, преобразования и усиления электрического сигнала (его частоты и силы). Его еще называют полупроводниковым триодом. Этот элемент схемы необходим для работы практически всех известных электрических устройств (коммутатор зажигания, диодный мост, блок питания, переключатель нагрузки, датчик и т. д.). Он был запатентован в начале 20-го века при участии известного ученого-физика Юлия Эдгара Лилиенфельда, но его совершенствование произошло только на базе уже существующего биполярного в 60-х. Только спустя 20 лет Шокли, Бардином и Браттейном были созданы первые биполярные триоды.

Фото — конструкция

Конструктивно транзистор состоит из трех электродов: база, эмиттер, коллектор. Здесь эмиттером и коллектором представлены основные детали устройства, база выполняет функции управления сетью, усиления тока и его преобразования. Схема с этим электрическим элементом обозначается в виде трех электродных отводов, заключенных в круг. Стрелка указывает направление тока в эмиттере.

Фото — виды триодов

Существует два типа транзисторов: полевой и биполярный, они отличаются друг от друга принципом работы и областью использования. Полевой элемент управляется входящим напряжение сети, в то время, как биполярный – током. Рассмотрим их работу более подробно.

Фото — структура

Полевой транзистор – это однопереходный элемент, т. к. в нем протекает заряд только с одним знаком (+ или -). Поэтому они называются униполярными. Эти детали классифицируются по типу управления:

С р-n переходом или барьером Шоттки;
С изолированным затвором MOSFET;
МДП или металл-диэлектрик-проводник.

Изолированный элемент практически ничем не отличается от неизолированного, за исключением дополнительного слоя диэлектрика между затвором и каналом. Его называют МОП-транзистором из-за конструкции: металл-оксид-полупроводник.

Фото — устройство полевого

Биполярный транзистор известен своим свойством пропускать заряды с разным знаком через одну базу. В этом элементе ток продвигается через базу на коллектор. Бывает таких исполнений:

n-p-n;
p-n-p;
С изолированным отводом IGBT.

npn – это транзисторы с обратной проводимостью. pnp – с прямой. Одним из подвидов обратного полупроводникового триода является оптотрон, который открывается не за счет тока, а при распознавании света. Элемент в таком режиме работы используется в разных датчиках освещенности, выключателях и т. д.

Фото — устройство биполярного

Помимо этого, данные элементы могут разниться по мощности, размеру, используемому материалу для базы. Мощность транзисторов находится в пределах от 100 мВт до 1 Вт и более, современная электроника использует все виды, в зависимости от назначения и конструктивных особенностей прибора.

Ранее биполярные транзисторы имели относительно большой размер, сравнительно с современными деталями. Сейчас электроника использует даже так называемые «острова» — это элементы, которые представлены на схеме в виде точки. Они практически незаметны постороннему глаз, но позволяют пропускать и контролировать сильные импульсы.

У каждого типа транзисторов есть определенные достоинства и недостатки:

Полевые могут разрушаться при низких температурах и высокой влажности;
Полевой регулятор сигналов очень чувствителен к статическому электричеству. Учитывая, что через усилитель проходят разряды тока до нескольких тысяч Вольт, его затвор может быть легко разрушен;
Биполярные модели имеют малое сопротивление;
Электронная схема с общей базой для подключения обратных транзисторов должна подключаться к двум разным источникам питания.

Принцип работы для начинающих

Полевой триод управляется воздействием на носители тока электрического поля, а не током входной базовой цепи. Основа этого элемента – кремниево-фосфорная пластина типа n, которая от смеси кремния и бора отличается большим количеством свободных электродов. На этой пластине находится затвор с каналом – он называется p-областью. Этот канал имеет два окончания – сток и исток, которые также имеют область p, но только с увеличенным количеством электронов. Благодаря этому, между каналом и затвором создается p-n переход.

Фото — принцип работы

Контактные выводы соединяют между собой затвор, исток и сток. Если к истоку подключен плюс, а к стоку минус от источника питания, то система канала начнет получать ток. Он будет создаваться за счет движения электронов между проводниками цепи. Это называется ток стока. Обратите внимание на то, что когда к истоку подключен положительный вывод, область обеднения расширяется, а канал сужается, за счет чего значительно увеличивается сопротивление стока. Соответственно, если область обеднения будет сужаться, то ток стока увеличиваться. Так работает полевой транзистор.

Фото — разница между триодами

Биполярный обратный npn работает за счет цепи эмиттер-коллектор. Когда к схеме подключается ток, то транзистор открывается. Если изменить напряжение тока, поступающего на базу, то можно будет управлять током в цепи. Этот принцип работы используется в большинстве моделей современной электроники.

Главным образом электротехника применяет транзисторы полярного и униполярного типа для усиления сигналов разнообразных датчиков или регулирования тока сети питания. Примечательной особенностью этих элементов является то, что на них можно собирать разные логические микросхемы, выступающие в роли логического умножителя, отрицателя и т. д.

Видео: объяснение работы транзистораhttps://www.youtube.com/watch?v=37V3gDGvhPQ

Работа в схеме

Транзисторы – это одни из самых популярных и необходимых элементов схем в электронике. Рассмотрим, как эти элементы используются на триггере и регенераторе. Импульсный триггер Шмиттта – это генератор, в котором все входящее напряжение делится компаратором на три диапазона. Он состоит из транзисторов, которые соединены между собой гальванической связью и резистором, резисторов нагрузки и конденсатора.

Фото — работа транзистора в триггере Шмитта

Когда триггер подключается к источнику питания, то один его МОП-транзистор открывается, а второй закрывается. После этого в цепи появляется некоторое напряжение, уровень которого зависит от обвязки элементов схемы.

Использование полупроводниковых триодов в регенераторе необходимо для упрощения регулирования частоты тока. Главным достоинством использования транзисторной схемы здесь является то, что образующийся каскад может контролировать волны любой величины, начиная от ультразвука.

Фото — схема регенератора

Состоит такой регенератор из двух биполярных транзисторов 0,5 В, катушки и резистора. Такую схему можно подключить как автогенератор, тогда большая часть катушки уйдет в коллекторный отвод, а меньшая – в базовый. Напряжение к транзисторам подается через резисторы, с их помощью можно изменять напряжение и сопротивление сигнала между эмиттером и базой.