Управляющие транзисторы. Видео, отличие полевого транзистора от биполярного. Какие транзисторы лучше полевые или биполярные

В следующих статьях будут устройства, которые должны управлять внешней нагрузкой. Под внешней нагрузкой я понимаю все, что прицеплено к ножкам микроконтроллера – светодиоды, лампочки, реле, двигатели, исполнительные устройства … ну Вы поняли. И как бы не была заезжена данная тема, но, чтобы избежать повторений в следующих статьях, я все-же рискну быть не оригинальным — Вы уж меня простите:). Я кратенько, в рекомендательной форме, покажу наиболее распространенные способы подключения нагрузки (если Вы что-то захотите добавить – буду только рад).
Сразу договоримся, что речь идет о цифровом сигнале (микроконтроллер все-таки цифровое устройство) и не будем отходить от общей логики: 1 -включено, 0 -выключено. Начнем.

Использовать, чтобы установить рабочую точку транзистора; которая к тому же имеет задачу подачи энергии, необходимую для усиления сигнала. Линейный режим используется для усиления сигнала. Усилительные большие сигналы - при усилении больших сигналов демонстрируют нелинейные характеристики транзистора.

Условия для установки рабочей точки в линейном режиме

Усилительная малые сигналы - когда усилительные малые сигналы могут быть характерными вокруг рабочей точки линеаризации, можно использовать, например, квадрупольную фокусировку параметров для заданной рабочей точки.

Линейный режим - параллельная обратная связь коллектор тока - база

Параллельно коллектор тока обратной связи - база реализует участие на рис.

Нагрузкой постоянного тока являются: светодиоды, лампы, реле, двигатели постоянного тока, сервоприводы, различные исполнительные устройства и т.д. Такая нагрузка наиболее просто (и наиболее часто) подключается к микроконтроллеру.

1.1 Подключение нагрузки через резистор.
Самый простой и, наверно, чаще всего используемый способ, если речь идет о светодиодах.

Увеличение тока коллектора вызывает падение напряжения в цепи базы и тем самым уменьшая ток базы. Таким образом, это отрицательная обратная связь. Участие, мы можем заменить участие замены на рис. Рис. 2: Подключение транзисторного каскада с общим эмиттером тока параллельной отрицательной обратной связи.

Ток эмиттера обратной связи серии - база

Обратной связи по току серии эмиттер - база реализует участие на рис. Рис. 3: Подключение транзисторного каскада с общим эмиттером тока серии отрицательной обратной связью. Рис. 4: Запасное участие транзистор ступень с общим эмиттером тока серии отрицательной обратной связью, чтобы определить рабочую точку.

Резистор нужен для того, чтобы ограничить ток протекающий, через ножку микроконтроллера до допустимых 20мА . Его называют балластным или гасящим. Примерно рассчитать величину резистора можно зная сопротивление нагрузки Rн.

Увеличение тока коллектора компенсируется уменьшением тока базы петли. Коэффициент усиления тока β равен произведению коэффициента усиления отдельных транзисторов. Рис. 5: Дарлингтон. Используемый в нем противоположны поляризованные транзисторы, эта схема известна как комплементарный Дарлингтон. Название дополнительных средств с использованием транзисторов с противоположными полярностями.

Вовлечение ведет себя как транзистор, который имеет ту же полярность электродов до входного транзистора. Чаще всего они могут управлять токами в несколько десятков или даже сотен А, напряжением блока, превышающим 1 кВ, и переключаться частотой 100 кГц. Знание этих различий значительно упрощает правильный выбор типа компонента в дизайне. Наиболее характерные особенности описанных структур приведены ниже.

Rгасящий = (5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн

Как видно, даже в самом худшем случае, когда сопротивление нагрузки равно нулю достаточно 250 Ом для того, что бы ток не превысил 20мА. А значит, если неохота чего-то там считать — ставьте 300 Ом и Вы защитите порт от перегрузки. Достоинство способа очевидно – простота.

1.2 Подключение нагрузки при помощи биполярного транзистора.
Если так случилась, что Ваша нагрузка потребляет более 20мА, то, ясное дело, резистор тут не поможет. Нужно как-то увеличить (читай усилить) ток. Что применяют для усиления сигнала? Правильно. Транзистор!

В определенном диапазоне они имеют положительный температурный коэффициент, а это означает, что более нагруженный транзистор сам ограничивает ток. Сопротивление канала теоретически можно произвольно уменьшить при использовании соответствующей технологии изготовления. Это особенно важно при параллельной интеграции многих компонентов. . Они связаны однополярным транзистором и биполярным транзистором, что приводит к ряду последствий.

Некоторые типы имеют отрицательный температурный коэффициент, что усложняет их параллельное соединение, при отключении происходит явление «сглаживания», они не содержат внутреннего антипараллельного диода, они могут переключать значительные токи, они могут работать при высоких напряжениях, они могут быть введены в состояние насыщения величина тока коллектора мало влияет на падение напряжения на компоненте в замкнутом состоянии. Итак, как выбрать наиболее подходящую часть? Первыми критериями выбора чаще всего будут рабочая частота и напряжение.

Для усиления удобней применять n-p-n транзистор, включенный по схеме ОЭ . При таком способе можно подключать нагрузку с большим напряжением питания, чем питание микроконтроллера. Резистор на базе – ограничительный. Может варьироваться в широких пределах (1-10 кОм), в любом случае транзистор будет работать в режиме насыщения. Транзистор может быть любой n-p-n транзистор. Коэффициент усиления, практически не имеет значения. Выбирается транзистор по току коллектора (нужный нам ток) и напряжению коллектор-эмиттер (напряжение которым запитывается нагрузка). Еще имеет значение рассеиваемая мощность — чтоб не перегрелся.

Мы можем использовать следующую диаграмму. Кроме того, эти компоненты могут быть рекомендованы для периферийных приложений. Работая с небольшим чередованием и высокой мощностью. . Они могут свидетельствовать в свою пользу. Работать с высокочастотными сигналами и работать в цепях с меньшей мощностью. . В области, отмеченной тремя вопросительными знаками, трудно четко сказать, какой компонент будет лучше. Различия в потерях мощности в этом случае могут быть лишь в процентах. Здесь вам нужно посмотреть детали транзисторов, которые производители помещают в техническую документацию, и выполнить соответствующие расчеты с учетом параметров целевой схемы.

Из распространенных и легко доступных можно заюзать BC546, BC547, BC548, BC549 с любыми буквами (100мА), да и тот-же КТ315 сойдет (это у кого со старых запасов остались).
- Даташит на биполярный транзистор BC547

1.3 Подключение нагрузки при помощи полевого транзистора.
Ну а если ток нашей нагрузки лежит в пределах десятка ампер? Биполярный транзистор применить не получиться, так как токи управления таким транзистором велики и скорей всего превысят 20мА. Выходом может служить или составной транзистор (читать ниже) или полевой транзистор (он же МОП, он же MOSFET). Полевой транзистор просто замечательная штука, так как он управляется не током, а потенциалом на затворе. Это делает возможным микроскопическим током на затворе управлять большими токами нагрузки.

Поставщиками отдельных элементов являются известные и всемирно известные компании. В этой статье мы покажем, как управлять элементами с большим потоком тока без взвешивания выходного вывода микроконтроллера. Самый простой способ сделать это - использовать транзистор в проводке в качестве переключателя. Можно использовать как биполярный транзистор, так и однополярный транзистор. Здесь мы покажем основную связь биполярного и униполярного транзисторов. Вы не найдете подробного описания внутренней структуры транзистора, но только практическое использование транзистора в качестве переключателя.

Для нас подойдет любой n-канальный полевой транзистор. Выбираем, как и биполярный, по току, напряжению и рассеиваемой мощности.

При включении полевого транзистора нужно учесть ряд моментов:
— так как затвор, фактически, является конденсатором, то в моменты переключения транзистора через него текут большие токи (кратковременно). Для того чтобы ограничить эти токи в затвор ставиться ограничивающий резистор.
— транзистор управляется малыми токами и если выход микроконтроллера, к которому подключен затвор, окажется в высокоимпедансном Z-состоянии полевик начнет открываться-закрываться непредсказуемо, вылавливая помехи. Для устранения такого поведения ножку микроконтроллера нужно «прижать» к земле резистором порядка 10кОм.
У полевого транзистора на фоне всех его положительных качеств есть недостаток. Платой за управление малым током является медлительность транзистора. ШИМ, конечно, он потянет, но на превышение допустимой частоты он Вам ответит перегревом.

Основное описание соединения с биполярным транзистором. Как видно из диаграммы, для обеспечения правильной работы транзистора в качестве переключателя необходимы только два резистора. Для вычисления минимального базового тока используется следующее соотношение. Однако для безопасного открытия транзистора мы должны использовать ток, превышающий минимальный.

Это значение должно быть достаточным для переключения нагрузки 100 мА. Рассчитанные значения сопротивления и использование конкретного транзистора были фактически проверены для тока коллектора около 90 мА. Измеренные значения напряжения и тока. Если вы используете силовой транзистор, где ток коллектора большой и транзистор нагревается значительно, необходимо использовать кулер. Основное описание соединения с однополярным транзистором.

1.4 Подключение нагрузки при помощи составного транзистора Дарлингтона.
Альтернативой применения полевого транзистора при сильноточной нагрузке является применение составного транзистора Дарлингтона. Внешне это такой-же транзистор, как скажем, биполярный, но внутри для управления мощным выходным транзистором используется предварительная усилительная схема. Это позволяет малыми токами управлять мощной нагрузкой. Применение транзистора Дарлингтона не так интересно, как применение сборки таких транзисторов. Есть такая замечательная микросхема как ULN2003. В ее составе аж 7 транзисторов Дарлингтона, причем каждый можно нагрузить током до 500мА, причем их можно включать параллельно для увеличения тока.

Вторым возможным способом усиления выхода является использование однополюсного транзистора. Связь с униполярным транзистором показывает рис. Рис. 2: Подключение с однополюсным транзистором. Переключение не происходит с текущим током на затвор, но с поданным напряжением на электроде затвора. В электрод затвора ток отсутствует, ток течет только при зарядке и разрядке паразитной емкости электрода затвора.

Эта потеря мощности применяется в статическом состоянии, когда униполярный транзистор закрыт. Более подробное описание переключения униполярных транзисторов будет дано в любом из следующих вкладов. Устройство предназначено для базового тестирования транзисторов - как биполярных, так и Дарлингтон - после разборки с различных электронных устройств. Тестер также определяет проводимость неизвестного тестового транзистора. Эти соединения должны использоваться для вдохновения, это самое простое подключение тестера.

Микросхема очень легко подключается к микроконтроллеру (просто ножка к ножке) имеет удобную разводку (вход напротив выхода) и не требует дополнительной обвязки. В результате такой удачной конструкции ULN2003 широко используется в радиолюбительской практике. Соответственно достать ее не составит труда.
- Даташит на сборку Дарлингтонов ULN2003

Тестовый транзистор соединяет тестовые провода с тестером. Функция идентична для обоих биполярных и Дарлингтонских транзисторов. Продукт питается от двух запатентованных батарей. Соединение - это отдельная вещь, выбран выбранный из-за разных диапазонов и входов транзисторов. Однополярный транзистор, также называемый полевым, представляет собой основной кирпич, из которого он строит современную цифровую технику. Принцип работы однополюсного транзистора несколько отличается от принципа работы биполярного транзистора.

Этот процесс приводит к созданию потенциального барьера на границе раздела двух полупроводников. В базовом слое формируется канал, через который они могут пропускать электроны или дырки. Потенциальный барьер будет увеличиваться, а площадь пространственной нагрузки будет возрастать по мере того, как большинство носителей будет течь к электродам.

Если Вам нужно управлять устройствами переменного тока (чаще всего 220v), то тут все сложней, но не на много.

2.1 Подключение нагрузки при помощи реле.
Самым простым и, наверное, самым надежным есть подключение при помощи реле. Катушка реле, сама собой, является сильноточной нагрузкой, поэтому напрямую к микроконтроллеру ее не включишь. Реле можно подключить через транзистор полевой или биполярный или через туже ULN2003, если нужно несколько каналов.

Площадь этого груза является стерильной, лишенной большинства носителей. Входное сопротивление стоит нескольких мегаом. Они могут быть повреждены электрическим зарядом, который накапливается на одежде. Поэтому идентификация электродов несколько сложна. Лучше использовать готовые диаграммы производителей, на которых описаны выходы для данного типа транзисторов.

Сегодня это наиболее часто используемый полевой транзистор. Вы можете найти его практически на любом цифровом устройстве: на компьютерах, телефонах, в памяти и т.д. Эти области имеют свободные электроны, которые могут двигаться. Наконец, изоляционный слой с электродными отверстиями применяется к целому.

Достоинства такого способа большой коммутируемый ток (зависит от выбранного реле), гальваническая развязка. Недостатки: ограниченная скорость/частота включения и механический износ деталей.
Что-то рекомендовать для применения не имеет смысла — реле много, выбирайте по нужным параметрам и цене.

Электроды помещаются в отверстия. Теперь перейдем к принципу работы такого транзистора. Все делается по принципу электростатических взаимодействий. Чем шире канал, тем меньше сопротивление. Вы можете найти все в Интернете. Важно понимать основной принцип работы такого транзистора, и дадим это вам выше.

Применение однополярных транзисторов

Входное сопротивление цели очень велико. Напротив, изоляционный слой имеет толщину в несколько нанометров. Ниже приведены типичные конфигурации изгоев. Однополярные транзисторы сегодня являются рычагом развития электронной промышленности. Они используются практически во всех современных электронных устройствах. Они могут выполнять функции усилителей и переключателей, управляемых электрическим напряжением.

2.2 Подключение нагрузки при помощи симистора (триака).
Если нужно управлять мощной нагрузкой переменного тока а особенно если нужно управлять мощностью выдаваемой на нагрузку (димеры), то Вам просто не обойтись без применения симистора (или триака). Симистор открывается коротким импульсом тока через управляющий электрод (причем как для отрицательной, так и для положительной полуволны напряжения). Закрывается симистор сам, в момент отсутствия напряжения на нем (при переходе напряжения через ноль). Вот тут начинаются сложности. Микроконтроллер должен контролировать момент перехода через ноль напряжения и в точно определенный момент подавать импульс для открытия симистора — это постоянная занятость контроллера. Еще одна сложность это отсутствие гальванической развязки у симистора. Приходится ее делать на отдельных элементах усложняя схему.

Эта нагрузка останется на воротах даже после отпускания кнопки. Затвор с остальной частью полупроводника создает конденсатор, который удерживает нагрузку, потому что он изолирован от полупроводника, а внутреннее сопротивление такого конденсатора очень велико. После отпускания кнопки 1, ворота все еще удерживают свою нагрузку, и транзистор продолжает работать, и эта нагрузка разряжается, что может занять некоторое время. Из-за огромного входного сопротивления ворот он собирает нагрузки из окружающей среды.

Хотя современные симисторы управляются довольно малым током и их можно подключить напрямую (через ограничительный резистор) к микроконтроллеру, из соображений безопасности приходится их включать через оптические развязывающие приборы. Причем это касается не только цепей управления симистором, но и цепей контроля нуля.

Иногда достаточно перенести вашу руку близко к транзистору, и этот включится, потому что ворота будут поляризоваться электростатическим индукцией. Такой резистор слишком сильно не загрузит источник сигнала, но стабилизирует поведение цели. Если напряжение питания исчезнет, нагрузка затвора будет быстро рассеиваться через резистор, и транзистор перестанет работать.

Он также не будет собирать грузы из окружающей среды - они будут постоянно разряжаться. Нанесенный слой изолятора выполнен из оксида металла или полуметалла, он чрезвычайно тонкий, в некоторых транзисторах, используемых в логических выводах процессоров, он имеет толщину всего 5 атомов кислорода. Принцип действия такого транзистора полностью отличается от традиционного биполярного транзистора. Как следует из названия, это полевой транзистор, управляемый электрическим полем, создаваемым затвором. Слой изолятора означает, что ток не течет через затвор - для постоянного тока входное сопротивление бесконечно велико.

Довольно неоднозначный способ подключения нагрузки. Так как с одной стороны требует активного участия микроконтроллера и относительно сложного схемотехнического решения. С другой стороны позволяет очень гибко манипулировать нагрузкой. Еще один недостаток применения симисторов — большое количество цифрового шума, создаваемого при их работе — нужны цепи подавления.

Симисторы довольно широко используются, а в некоторых областях просто незаменимы, поэтому достать их не составляет каких либо проблем. Очень часто в радиолюбительстве применяют симисторы типа BT138.

Здравствуйте, дорогие читатели. В данной статье рассмотрим отличие полевого транзистора от биполярного, узнаем в каких сферах применяются и те, и другие транзисторы.

И так, начнём…

Среди полупроводниковых приборов существуют две большие группы, в состав которых входят полевые и биполярные . Они широко используются в электронике и радиотехнике в качестве генераторов, усилителей и преобразователей электрических сигналов. Чтобы понять, в чем основное различие этих устройств, необходимо рассмотреть их более подробно.

Биполярные транзисторы

Проводящая область конструкции состоит из трёх «спаянных» полупроводниковых частей, с чередованием по типу проводимости. Полупроводник с донорной (электронной) проводимостью обозначается как n-тип, с акцепторной (дырочной) – p-тип. Таким образом, мы можем наблюдать только два варианта чередования – p-n-p, либо n-p-n. По этому признаку различают биполярные транзисторы с n-p-n и p-n-p структурой.

Общая часть транзисторного кристалла, контактирующая с двумя другими, называется «база». Две другие – «коллектор» и «эмиттер». Степень насыщенности базы носителями заряда (электронами или электронными вакансиями «дырками») определяет степень проводимости всего кристалла транзистора. Таким образом, осуществляется управление проводимостью переходов транзистора, что позволяет использовать его в качестве элемента усиления мощности сигнала, или ключа.

Полевые транзисторы

Проводящая часть конструкции представляет собой полупроводниковый канал p- или n-типа в металле. Ток нагрузки протекает по каналу через электроды, называемые «стоком» и «истоком». Величина сечения проводящего канала и его сопротивление зависит от обратного напряжения на p-n переходе границы металла и полупроводника канала. Управляющий электрод, соединённый с металлической областью называется «затвор».

Канал полевого транзистора может иметь электрическую связь с металлом затвора — неизолированный затвор, а может быть и отделён от него тонким слоем диэлектрика — изолированный затвор.

Какие транзисторы лучше полевые или биполярные?

И так, мы узнали, что главное отличие этих двух видов транзисторов в управление. Давайте рассмотрим прочие преимущества полевых транзисторов по сравнению с биполярными:

высокое входное сопротивление по постоянному току и на высокой частоте, отсюда и малые потери на управление

высокое быстродействие (благодаря отсутствию накопления и рассасывания неосновных носителей)

почти полная электрическая развязка входных и выходных цепей, малая проходная ёмкость поскольку усилительные свойства полевых транзисторов обусловлены переносом основных носителей заряда, их верхняя граница эффективного усиления выше, чем у биполярных

квадратичность вольт — амперной характеристики (аналогична триоду)

высокая температурная стабильность

малый уровень шумов, так как в полевых транзисторах не используется явление инжекции неосновных носителей заряда, которое и делает биполярные транзисторы «шумными»

малое потребление мощности

Накопление и рассасывание неосновных носителей заряда отсутствует в полевых транзисторах, от того и быстродействие у них очень высокое (что отмечается разработчиками силовой техники). И поскольку за усиление в полевых транзисторах отвечают переносимые основные носители заряда, то верхняя граница эффективного усиления у полевых транзисторов выше чем у биполярных.

Здесь же отметим высокую температурную стабильность, малый уровень помех (в силу отсутствия инжекции неосновных носителей заряда, как то происходит в биполярных), экономичность в плане потребления энергии.

Ток или поле, управление транзисторами

Большинству людей, так или иначе имеющими дело с электроникой, принципиальное устройство полевых и биполярных транзисторов должно быть известно. По крайней мере, из названия «полевой транзистор», очевидно, что управляется он полем, электрическим полем затвора, в то время как биполярный транзистор управляется током базы.

Ток и поле, различие здесь кардинальное. У биполярных транзисторов управление током коллектора осуществляется путем изменения управляющего тока базы, в то время как для управления током стока полевого транзистора, достаточно изменить приложенное между затвором и истоком напряжение, и не нужен уже никакой управляющий ток как таковой.

Разная реакция на нагрев

У биполярных транзисторов температурный коэффициент сопротивления коллектор-эмиттер отрицательный (т. е. с ростом температуры сопротивление уменьшается и ток коллектор - эмиттер растет). У полевых транзисторов все наоборот - температурный коэффициент сток-исток положительный (с ростом температуры сопротивление растет, и ток сток-исток уменьшается).

Важное следствие из этого факта - если биполярные транзисторы нельзя просто так включать параллельно (с целью умощнения), без токовыравнивающих резисторов в цепи эмиттера, то с полевыми все намного проще - благодаря автобалансировке тока сток-исток при изменении нагрузки/нагрева - их можно свободно включать параллельно без выравнивающих резисторов. Это связано с температурными свойствами p-n перехода и простого полупроводника p- или n-типа. По этой причине у полевых транзисторов гораздо реже случается необратимый выходной тепловой пробой, чем у биполярных.

Так для достижения высоких показателей коммутационных токов, можно легко набрать составной ключ из нескольких параллельных полевых транзисторов, что и используется много где на практике, например в инверторах.

А вот биполярные транзисторы нельзя просто так параллелить, им нужны обязательно токовыравнивающие резисторы в цепях эмиттеров. Иначе, из-за разбаланса в мощном составном ключе, у одного из биполярных транзисторов рано или поздно случится необратимый тепловой пробой. Полевым составным ключам названная проблема почти не грозит. Эти характерные тепловые особенности связаны со свойствами простого n- и p-канала и p-n перехода, которые кардинально отличаются.

Сферы применения тех и других транзисторов

Различия между полевыми и биполярными транзисторами четко разделяют области их применений. Например в цифровых микросхемах, где необходим минимальный ток потребления в ждущем состоянии, полевые транзисторы применяются сегодня гораздо шире. В аналоговых же микросхемах полевые транзисторы помогают достичь высокой линейности усилительной характеристики в широком диапазоне питающих напряжений и выходных параметров.

Схемы типа reel-to-reel удобно реализуются сегодня с полевыми транзисторами, ведь легко достигается размах напряжений выходов как сигналов для входов, совпадая почти с уровнем напряжения питания схемы. Такие схемы можно просто соединять выход одной с входом другой, и не нужно никаких ограничителей напряжения или делителей на резисторах.

Что касается биполярных транзисторов, то их типичными сферами применения остаются: усилители, их каскады, модуляторы, детекторы, логические инверторы и микросхемы на транзисторной логике.

Полевые побеждают, почему?

Выдающиеся примеры устройств, построенных на полевых транзисторах, - наручные электронные часы и пульт дистанционного управления для телевизора. За счёт применения КМОП-структур эти устройства могут работать до нескольких лет от одного миниатюрного источника питания - батарейки или аккумулятора, потому что практически не потребляют энергии.

В настоящее время полевые транзисторы находят все более широкое применение в различных радиоустройствах, где уже с успехом заменяют биполярные. Их применение в радиопередающих устройствах позволяет увеличить частоту несущего сигнала, обеспечивая такие устройства высокой помехоустойчивостью.

Обладая низким сопротивлением в открытом состоянии, находят применение в оконечных каскадах усилителей мощности звуковых частот высокой мощности (Hi-Fi), где опять же с успехом заменяют биполярные транзисторы и даже электронные лампы.

В устройствах большой мощности, например в устройствах плавного пуска двигателей, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) — приборы, сочетающие в себе как биполярные, так и полевые транзисторы, уже успешно вытесняют тиристоры.