Добрый день, друзья!
Недавно мы с вами начали плотнее знакомились с тем, как устроено компьютерное «железо». И познакомились одним из его «кирпичиков» — полупроводниковым диодом. Компьютер – это сложная система, состоящая из отдельных частей. Разбирая, как работают эти отдельные части (большие и малые), мы приобретаем знание.
Обретая знание, мы получаем шанс помочь своему железному другу-компьютеру, если он вдруг забарахлит. Мы же ведь в ответе за тех, кого приручили, не правда ли?
Сегодня мы продолжим это интересное дело, и попробуем разобраться, как работает самый, пожалуй, главный «кирпичик» электроники – транзистор. Из всех видов транзисторов (их немало) мы ограничимся сейчас рассмотрением работы полевых транзисторов.
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.
Движение тока через полупроводниковые переходы всегда направлено от стока к истоку, как и воды в кране. Это важно запомнить.
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).
Заостряю внимание: при одном и том же напряжении между входом и выходом полевого транзистора (сток-исток) потенциал на затворе изменяет электрическое сопротивление встроенных полупроводниковых переходов.
Причем происходит это по одному из предусмотренных заранее сценариев. О них я последовательно рассказываю дальше.
Непосредственное управление от контроллера ШИМ
В большинство современных микросхем контроллеров встроен выходной управляющий каскад. Обычно он содержит двухтактную схему на двух транзисторах. Этот выход можно использовать для непосредственного управления затвором мощного полевого транзистора, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Мощный ПТ управляется непосредственно от выхода контроллера ШИМ
Непосредственное подключение можно использовать в тех случаях, когда управляющая схема подключена к той же самой «земле», что и силовая часть, и уровень мощности относительно невелик.
Судя по справочным данным, ток в несколько ампер можно получить прямо с выхода контроллера ШИМ. Этого вполне достаточно для управления маломощными устройствами. Однако вход полевого транзистора имеет большую емкость. Кроме того, пытаться полностью использовать весь выходной ток контроллера, как правило, плохая идея. Это может привести к увеличению электромагнитных помех изза быстрого включения и выключения, непомерным потерям на обратное восстановление в выпрямителе и шумам в самом контроллере ШИМ. В результате могут возникать случайные сбои в работе и дрожание тактовой частоты.
Лучшее решение ограничить выходной ток контроллера ШИМ при помощи схемы, показанной на рис. 2. В ней используются два резистора: один для управления временем включения, а другой для управления временем выключения. (Обычно мы выключаем устройство быстрее, чем включаем, для защиты от коротких импульсов тока.) Диод служит для разделения этих двух функций, но в некоторых случаях, когда критично быстродействие схемы, можно обходиться без него.
Рис. 2. Схема, с помощью которой можно ограничить выходной ток контроллера ШИМ
В маломощных преобразователях мы обычно включаем ПТ медленно. Не надо бояться экспериментов с величиной сопротивления резистора Ron. Автор использует в своих проектах значения от 1 Ом до 1 кОм. Сформулированное им правило разработки заключается в том, чтобы увеличивать сопротивление, одновременно наблюдая за осциллограммами переключения и рассеиваемой мощностью ПТ. Если температура начинает заметно возрастать, нужно уменьшить величину сопротивления вдвое. Вы будете удивлены, увидев, как медленно можно включать ПТ в обратноходовом преобразователе, работающем в режиме прерывистых токов, без значительных потерь на переключение.
Выключение должно быть быстрым, чтобы обеспечить быстрый спад импульса тока. Экспериментируйте с разными значениями сопротивления, вместо того, чтобы просто использовать величины, приведенные в руководствах по применению. Более подробную информацию о том, насколько быстро можно управлять ПТ, можно найти в работе[3].
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.
Перед любой проверкой каждого транзистора необходимо уточнять его технические возможности по заводской документации.
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.
Специализированные драйверы затворов
При увеличении мощности преобразователя становится ясно, что сопротивления резисторов в затворе ПТ необходимо уменьшить, чтобы минимизировать потери на переключение. Для схем большой мощности в промышленности, как правило, используют микросхемы драйверов с большими выходными токами. При этом уменьшается влияние помех на контроллер ШИМ, и, кроме того, получается более удачная разводка печатной платы. В продаже имеется множество хороших драйверов. Можно даже создать собственный мощный двухтактный драйвер, если необходимо увеличить производительность при снижении цены. Для устройств большой мощности используют отдельную схему драйвера затвора для достижения быстрого переключения (рис. 3). Резисторы в затворе также имеются.
Рис. 3. Отдельная схема драйвера затвора для быстрого переключения
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.
Мы можем даже не чувствовать эту статику, но ее случайный разряд способен выжечь тонкий полупроводниковый переход кристалла.
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.
Осторожно: схема восстановления постоянной составляющей!
Иногда разработчик может столкнуться с высоковольтной схемой, в которой требуется изолированное управление затвором при относительной длительности импульсов около 100%. Раньше для таких применений рекомендовали схему, показанную на рис. 6. Но ее применение может приводить к повреждению источника питания при выключении.
Рис. 6. Высоковольтная схема с восстановлением постоянной составляющей
Диод и конденсатор на стороне вторичной обмотки восстанавливают постоянную составляющую на затворе и обеспечивают управление затвором при значениях относительной длительности до 90% и более. Однако у этой схемы есть серьезный недостаток, и использовать ее без очень тщательного анализа не рекомендуется.
Эта схема хорошо работает в установившемся режиме (рекомендуется нагрузочный резистор в затворе), но когда контроллер ШИМ выключается, разделительный конденсатор остается подключенным через трансформатор на неопределенный период времени. Это может привести к насыщению трансформатора, как показано на рис. 6б. Когда трансформатор насыщается, вторичная обмотка замыкается накоротко, и конденсатор на стороне вторичной обмотки может включить ПТ. Насыщение можно предотвратить, если использовать сердечник с зазором и конденсатор небольшой емкости, но при этом увеличится реактивный ток, необходимый для управления затвором, а это вызывает другие проблемы.
Изолированное управление затвором для мостовых преобразователей
Мостовые и полумостовые преобразователи это устройства, в которых требуется очень надежная изолированная схема управления. В то время как один из ключей закрыт, ключ на другой стороне моста будет открыт. В результате на выключенном устройстве будет присутствовать большое синфазное напряжение.
На рис. 7 показана схема, рекомендуемая для полумостового преобразователя. В ней управлять затворами должны два трансформатора. Не пытайтесь использовать только один трансформатор и схему с тремя состояниями, как советуют в некоторых руководствах по применению!
Рис. 7. Для управления затворами в полумостовых преобразователях рекомендуются два отдельных трансформатора
В мостовом преобразователе, показанном на рис. 8, также требуются два трансформатора для управления затворами. Двойные вторичные обмотки в каждом трансформаторе используются для управления парами ПТ в диагонально противоположных плечах моста. Для обоих типов мостов схемы управления затворами должны тщательно тестироваться во время переходного процесса при включении, когда возникают большие пиковые токи, и отрицательные напряжения на затворах невелики.
Рис. 8. Схема мостового преобразователя с двумя трансформаторами для повышения надежности
В схеме моста с фазовым сдвигом (рис. 9) для управления затворами также используются два трансформатора. Но обратите внимание на отличие: каждая сторона моста работает с фиксированной относительной длительностью 50%, что позволяет использовать один трансформатор с двумя вторичными обмотками противоположной полярности. Это одна из немногих схем, где можно применять биполярную схему управления затвором без снижения надежности. Но выбросы, возникающие во время переходных процессов при выключении, не должны приводить к открытию транзисторов. Обратите внимание на полярность вторичных обмоток.
Рис. 9. Мост с фазовым сдвигом с двунаправленными трансформаторами в каждом плече
Заключение
Схема управления затвором критически важная часть проекта преобразователя. Убедитесь в том, что вы используете правильную схему, и не копируйте вслепую схемы из руководства по применению. Трансформаторы в цепях управления затворами придают вашему проекту такую степень надежности, которую невозможно получить при использовании полупроводниковых решений. Если вы разрабатываете очень мощное устройство, то это важнейшая составляющая. Добавление активных элементов для того, чтобы, согласно общепринятому мнению, увеличить скорость переключения, обычно не дает улучшения общей производительности, но вносит новые возможности для потенциальных отказов. Делайте вашу схему управления затвором как можно более простой.
Литература
- Balogh L. Design and Application Guide for High Speed MOSFET Gate Drive Circuits. Texas Instruments Application Note.
- Ridley R. Six Reasons for Power Supply Instability. www.switchingpowermagazine.com
- Ridley R. Power Supply Stress Testing. www.switchingpowermagazine.com
- www.ridleyengineering.com
