Урок 7.1. Полевой транзистор. Первое знакомство.

Ну вот и случилось чудо, наконец я дозрел выложить долгожданную статью iEugene0x7CA про полевой транзистор. Материала получилось достаточно много, поэтому, для адекватного последовательного усвоения,  разбил его на несколько частей. Также, внес некоторые корректировки и добавил свой пример (пример автора приберег для следующей статьи), надеюсь он простит меня за это 🙂

Итак, начнем с самого начала! Что же это такое?! :О Вероятно вы узрели в названии слово «транзистор»! Да-да, он делает примерно то же, что и биполярный!  Это аппарат, при помощи которого можно коммутировать электрический ток при помощи… Вы угадали, электрического тока! Но почему же тогда этот транзистор называется полевым? В поле чтоли растет? И зачем он вообще нам? Мы тут во всю биполярными пользуемся, а вы нам фигню какую-то подсунуть хотите, сударь! Чем биполярный плох?!

Ладно-ладно, замучил вас вопросами, исправляюсь! Мы рассматриваем самый полезный для цифровика тип транзистора- MOSFET! Плох биполярный транзистор, необходимостью поддержания базового тока, и если у маломощных транзисторов с этим проблем нету (у них коэффициент усиления достигает сотен порядков), то у более мощных собратьев коэффициент усиления значительно падает (десятки порядков). Например, нам нужно управлять током 5А, коэффициент усиления 10, значит базовый ток, примерно 500мА, т.е. для поддержания таких зверей открытыми нам банально не хватит тех 30 мА, что выдает нам ножка МК. Допустим, мы уже знаем, что МК не сможет коммутировать 5А через биполяр… А что, если нужно управлять токами в 30, в 50А? К примеру надо управлять каким-нибудь мощным электромотором, соленоидом, или электромагнитом! Что же нас спасет?! Тут то на сцену и выходит MOSFET!

Первые буквы в названии (metall oxide semiconductor) уже сообщают нам о его основном достоинстве- об изолированности затвора. Никакой ток через него не течет, просто подтянул к нему потенциал и можно радоваться жизни, смотреть, как ножка МК может крутить токи под 50А! Но… Везде есть но, да? Все просто, да не на столько… Но мы ведь заинтересовались, правда? Хотите себе в поделку такой крутой транзистор? Тогда читаем дальше!

Для начала стоит запомнить, что ножки у полевого транзистора (рассматриваем N-канальный полевик, аналог NPN биполяра) называются иначе, хотя функции у них те же:
1. Gate (затвор) — управляющая ножка, аналог базы.
2. Drain (сток)- ножка, куда втекает ток, аналог коллектора.
3. Source (исток)- из нее ток вытекает, аналог эмиттера.

Основные параметры полевых транзисторов:

1. Напряжение пробоя сток-исток.
В даташите обозначается Vds, очевидно, это Voltage между drain и source, до которого MOSFET может нормально функционировать, если его превысить, между ножками D и S образуется КЗ, транзистор будет пробит. Что интересно, большая часть полевиков пробиться может без каких-либо для них последствий, главное, чтобы ток при этом не превысил предельного значения Id. После спадения напряжение он продолжит функционировать, как будто бы ничего и не случалось. В даташите эта фича описана строкой Fully Avalanche Rated. Напряжения между D-S у полевиков обычно лежат в пределах 40-600В.

2. Напряжение пробоя затвор-исток.
Vgs, тут все уже не так славно, как со стоком-истоком… Дело в том, что изолирован затвор слоем оксида, и если он пробьется- это уже навсегда, ничего там не восстановится. После этого MOSFET придет в негодность. Типичное значение напряга между затвором и истоком — 20В, иногда 30В. Лучше постараться не превышать этот предел, а еще лучше поставить супрессор между ножками G-S на 18В, дабы в случае всплеска тот травил иголки на землю.

3. Емкость затвора.
Забегаем на перед, да! Затвор- это образно кусок фольги, который лежит на полупроводнике, и от которого отделен диэлектриком. Ничего не напоминает? Да это же получается плоский конденсатор! А у каждого конденсатора есть емкость. Хотя в приложениях вроде «коммутируем электромагнит!» этот параметр весьма безобиден, в ВЧ схемах он становится настоящей засадой, и где чем он меньше- тем лучше. Для сигнальных MOSFET он составляет сотни пФ, для средних около 1 нФ, для силовых под 2-6 нФ!

4. Сопротивление сток-исток от напряжения на затворе(зависимость).
Думали, подтянем к затвору любое напряжение, например 1В, и дело в шляпе? Сможем коммутировать 50А? А вот как бы не так! Как еще говорится «биполяры управляются током, а полевики напряжением!», доля правды в этом есть. Но… Разве я не говорил, что это полезный транзистор для цифровика? В линейном режиме MOSFET почти никто не использует, наоборот это паразитный режим, нам нужны только 1 и 0, т.е. полностью открыт или полностью закрыт. Это значит, что полезно нам лишь значение RdsON, т.е. максимально низкое сопротивление сток-исток, когда на затворе не 1, не 2, а желательно не менее 12В, лучше даже 15!
Значение RdsON есть в даташите, и сильно зависит от Vds. Чем Vds выше, тем выше RdsON. По этому нельзя ставить высоковольтные MOSFET в низковольтные сильноточные схемы, они будут представлять собой уже не КЗ(в открытом состоянии), а резистор, а резисторы имеют свойство нагреватся. Нам же это не надо, правда?
Типичное значение RdsON- 100 мОм для 500В полевика и 5 мОм для хорошего низковольтного.

Есть еще масса параметров, вроде емкости между ножками(десятки пФ), индуктивности ножки внутри корпуса(единицы нГн), но это уже для профи и ВЧ резонансных схем, нам для знакомства это пока не нужно.
Так же стоит заметить, что параметры «Absolyte maximum» не являются номинальными, они предельные! То есть, если в даташите указано, что Id кристалла= 110А, это не означает, что кристалл сможет через себя их пропустить, это означает, что при 110А он взорвется. Ток можно пускать любой, но не выше этого значения.

Итак, параметры мы уже знаем, но как управлять им? Как мы уже упоминали, затвор вроде как изолирован, и что у него есть емкость, и что он представляет собой конденсатор… Одна обладка- это затвор, а вторая как бы подключена к ножке исток. Работать с MOSFET в принципе очень просто, зарядил этот внутренний конденсатор- транзистор открылся! Разрядил куда-нибудь- транзистор закрылся! Хе-хей! Кроме тока на эту зарядку больше ничего не требуется, не нужно, как в биполяре, постоянно поддерживать ток базы. Раз зарядил, и свободен! Транзистор будет оставаться открытым хоть 100 лет и ничего при этом не потреблять, пока конденсатор заряжен. Это его основное преимущество.

В качестве примера, использована лампочка на 12В, 0.1А. Как и у биполярного транзистора к затвору подключены два резистора: R1 подтягивает к затвор к земле, чтобы транзистор был наверняка закрыт, когда напряжение не подается. R2 необходим для ограничения тока зарядки, при включении транзистора.  Довольно интересный момент это падение напряжения на И-С транзисторе, при текущем токе нагрузки оно составляет 2.1мВ, т.е. мощность выделяемая транзистором P=U*I=0.1*0.0021=0,00021Вт. Достаточно мало.

Теперь поэксперементируем, представим себе нагрузку в 10А, при том же напряжении:

Падение напряжения увеличилось, P=10*0,211=2,1Вт это уже достаточно существенно.

Поэкспериментируем еще — увеличим напряжение затвора до 15В.

P=10*0,168=1,68Вт Получается, что при одном и том же токе нагрузки, транзистор может греться на ~20% меньше, что не может не радовать.

В следующий раз, мы рассмотрим использование полевого транзистора, на примере регулятора оборотов двигателя.