Меню

Коммутация постоянного тока транзистором



Полевой транзистор как коммутатор (JFET)

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:

Схема включения лампы ключом

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:

Замыкание ключа в цепи затвора

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! 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 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.

Источник

Транзисторный ключ переменного тока

Для коммутации нагрузок в цепях переменного тока в последнее время все чаще стали применяться схемы с использованием мощных полевых транзисторов. Этот класс приборов представлен двумя группами. К первой отнесены биполярные транзисторы с изолированным затвором – БТИЗ. Западная аббревиатура – IGBT.

Во вторую, самую многочисленную вошли традиционные полевые (канальные) транзисторы. К этой группе относятся и транзисторы КП707 (см. таблицу 1), на которых и собран коммутатор нагрузки для сети 220 вольт.

КП707 характеристики, Ключ на полевом транзисторе, tranzistor

Первична сеть переменного тока очень опасная вещь во всех отношениях. Поэтому существует много схемных решений, позволяющих избежать управления нагрузками в сети напрямую. Ранее для этих целей использовались разделительные трансформаторы, в настоящее время им на смену пришли разнообразные оптроны.

Транзисторный ключ с оптической развязкой

Ключ на полевом транзисторе,shema2

Схема, ставшая уже типовой, показана на рисунке 1.

Читайте также:  Управление двигателем постоянного тока 110в

Данная схема позволяет гальванически развязать управляющие цепи и цепь первичной сети 220 вольт. В качестве развязывающего элемента применен оптрон TLP521. Можно применить и другие импортные или отечественные транзисторные оптроны. Схема простая и работает следующим образом. Кода напряжение на входных клеммах равно нулю, светодиод оптрона не светится, транзистор оптрона закрыт и не шунтирует затвор мощных коммутирующих транзисторов. Таким образом, на их затворах присутствует открывающее напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона VD1. В этом случае транзисторы открыты и работают по очереди, в зависимости от полярности напряжения в данный момент времени. Допусти, на выходном выводе схемы 4 присутствует плюс, а на клемме 3 – минус. Тогда ток нагрузки потечет от клеммы 3 к клемме 5, через нагрузку к клемме 6, далее через внутренний защитный диод транзистора VT2, через открытый транзистор VT1 к клемме 4. При смене полярности питающего напряжения, ток нагрузки потечет уже через диод транзистора VT1 и открытый транзистор VT2. Элементы схемы R3, R3, C1 и VD1 не что иное, как безтрансформаторный источник питания. Номинал резистора R1 соответствует входному напряжению пять вольт и может быть изменен при необходимости.

Печатная плата, мощный транзисторный ключ,plata

Вся схема выполнена в виде функционально законченного блочка. Элементы схемы установлены на небольшой П-образной печатной плате, показанной на рисунке 2.

Сама плата одним винтом крепится к пластине из алюминия с размерами 56×43х6 мм, являющейся первичным теплоотводом. К ней же через теплопроводную пасту и слюдяные изолирующие прокладки с помощью винтов с втулками крепятся и мощные транзисторы VT1 и VT2. Угловые отверстия сверятся и в плате и в пластине и служат, при необходимости, для крепления блока к другому более мощному теплоотводу.

Источник

Максимальный постоянный ток через полевой транзистор

На просторах интернета достаточно много информации о полевых транзисторах (далее ПТ) и их параметрах, но один из довольно простых, на первый взгляд, параметров, а именно – максимальный постоянный ток, который транзистор может через себя пропустить в ключевом режиме, и не сгореть – приводится в даташитах как-то размыто и неочевидно.

В статье будет рассмотрен пример расчёта максимального тока через MOSFET SQM50P03-07 (взял первый попавшийся из своей схемы), работающий в ключевом режиме, или на участке насыщения.

Сначала немного теории, чтобы понять в чём же вообще суть проблемы. Кому просто нужно посчитать ток – переходите сразу к практике.

Теория

Если кратко, то основным параметром, который ограничивает максимальный ток через ПТ, является температура, точнее её рост. Даже при работе в ключевом режиме, когда ток течёт через исток-сток, транзистор имеет некоторое сопротивление, для мощных MOSFET это значение может быть всего несколько мОм (не самое большое и не самое маленькое значение среди ПТ). При прохождении тока через такое сопротивление на нём рассеивается некоторая мощность (переходящая в тепло, транзистор нагревается). Рассеиваемая мощность прямо пропорциональна квадрату тока, проходящего через ПТ.

Проблема в том, что максимальный ток (DC), как и максимальную рассеиваемую мощность, зачастую не указывают в документации напрямую, вот, например, скрин из даташита на SQM50P03-07:

Continuous Drain Current указан 50 ампер, но со сноской, что это ограничение корпуса, т.е. ток, больше чем этот, физически не может пропустить через себя сам корпус без разрушения структуры.

Maximum Power Dissipation для разных температур 150 и 50 Вт, но со сноской, что это при пропускании тока импульсами, где за 1 период 98% времени транзистор «выключен», и остальные 2% он «включен» (напомню, нас интересует постоянный ток).

Так вот, для расчёта максимального тока через ПТ, важным параметром здесь является максимальная температура. Из даташита видно, что она 175 °C (Operating Junction and Storage Temperature Range), от неё и нужно отталкиваться в расчётах. Нужно определить какой ток нагреет полупроводниковый канал транзистора до 175 °C, но дальнейшее увеличение температуры не будет происходить за счёт передачи тепла в окружающую среду (охлаждения), это и будет значение тока, которое нам нужно.

Нагревание транзистора, как и любого другого тела, процесс сложный и зависит от многих параметров. Чтобы максимально упростить связанные с тепловыми расчётами действия, вводится параметр тепловое сопротивление, т.е. способность чего-либо, препятствовать распространению тепла. Чем тепловое сопротивление больше, тем медленнее будет охлаждаться ПТ, и тем быстрее вырастет до критической температура его кристалла. Так же, чем больше разница между максимально допустимой температурой на кристалле и окружающей средой, тем дольше ПТ будет нагреваться, и тем больший ток можно будет через него пропускать.

У каждого материала тепловое сопротивление своё, а транзистор, в свою очередь, состоит из подложки (тела), на которой формируется проводящий канал, изолятора, самого корпуса, который может тоже состоять из нескольких материалов, само собой они ещё и разной толщины, что тоже влияет на передачу тепла.

Читайте также:  Распределение тока в электролизере

Кроме того, охлаждать транзистор тоже можно по-разному, на некоторых, есть большая контактная площадка, которая припаивается к плате или крепится к радиатору, в таких случаях тепловое сопротивление минимально. Некоторые транзисторы не имеют таких площадок и контактируют с окружающей средой только через пластиковый корпус, через который отдают тепло гораздо медленнее.

В итоге получается примерно следующая схема:

  • T (Junction) – это температура проводящего канала внутри транзистора (который и нагревается при прохождении тока);
  • T (Ambient) – это температура окружающей среды (куда отводится тепло);
  • RT1-RT4 – это тепловые сопротивления материалов, которые преодолевает тепловая энергия.

С тепловыми сопротивлениями, как и в электротехнике, работает правило: «общее сопротивление равно сумме последовательных сопротивлений».

Как было отмечено ранее, ПТ можно охлаждать по-разному, и все возможные варианты в даташите предусмотреть просто невозможно, однако, обычно приводятся самые распространённые:

  • ПТ установлен на плате без радиатора и без всяких теплоотводящих контактных площадок (сопротивление Junction-to-Ambient);
  • даётся сопротивление до подложки, Junction-to-Case (или до определённой точки на корпусе, с которой отводится тепло), а дальше, в зависимости от применения, например, к подложке крепится радиатор, тогда надо его сопротивление добавлять в систему, и сопротивление прокладки между ним и корпусом ПТ (теплоотвод может быть очень большим и принимать на себя всё тепло с транзистора, в этом случае температурой окружающей среды будет считаться температура этого радиатора).

Не всегда тепловые сопротивления указываются прямо на странице с максимальными параметрами ПТ, вот, например, скрин из документации на Si4477DY:

Хотя там есть параметр Junction-to-Foot, допустим, нам интересно именно тепловое сопротивление Junction-to-Ambient, а оно приведено только для времени менее 10 секунд. В таком случае, можно порыться на сайте производителя и найти модели тепловых сопротивлений. В таких документах есть график зависимости разности температур Junction-Ambient от времени:

Из графика видно, что после 1000 секунд, значительный рост изменения температуры прекращается. В этом режиме разность температур численно равна тепловому сопротивлению. Следовательно, для постоянного тока можно ориентироваться на значение 80 °C/Вт – тепловое сопротивление Junction-to-Ambient.
(немного подробнее в комментарии)

Может не у всех фирм есть эта информация, но корпуса ПТ у всех в основном стандартные, достаточно найти данные по сопротивлениям для интересующего нас корпуса другой фирмы.
Когда разработчиком определено как именно будет охлаждаться ПТ, температура окружающей среды, в которой будет работать устройство, после этого, можно, наконец, приступить к расчёту.

Практика

Рассмотрим пример определения максимального постоянного тока через MOSFET SQM50P03-07 в ключевом режиме, который припаян к плате размером 300х300 мм (без радиатора). Плата будет работать в воздухе, при максимальной температуре 45 °C. Управлять ПТ будем, подавая на его затвор, напряжение в 5 вольт.

1. TJMAX

MOSFET греется в области сформированного проводящего канала (на подложке под изолятором и затвором), это и есть температура Tjunction (температура в месте соединения). Из даташита Operating Junction and Storage Temperature Range -55… +175, т.к. нас интересует максимальный ток, то и берём максимальную температуру, т.е. TJMAX=175°C (если не хочется, чтобы канал транзистора так грелся, то можно взять меньшее значение).

Температура окружающей среды. Берём максимально возможную температуру, в которую транзистору придётся отдавать тепло, по начальным условиям TA=45°C.

3. RΘJA

В даташите находим тепловое сопротивление проводящего канала транзистора к окружающей среде, притом ниже есть пометка, что это сопротивление актуально, если ПТ припаян к плате размерами больше 1 дюйма квадратного (в этом случае часть тепла уходит на плату, и при таких её размерах, с транзистора осуществляется необходимый теплоотвод):

Таким образом, RΘJA= 40 °C/Вт.

4. RDS(ON)

Максимальное сопротивление drain-source (сток-исток), при определённом управляющем напряжении на затворе. Информацию можно взять из таблицы, но там приводятся значения сопротивления канала только при напряжениях затвора в 10В и 4.5В, а у нас по плану 5 вольт. Разница, конечно, небольшая, можно взять и 4.5В:

Лучше всё-так найти в даташите график зависимости сопротивления канала от приложенного к затвору напряжения:

Нужно обратить внимание на то, что в случае с таблицей, данные приводятся для TC = 25 °C (температура подложки), а в случае с графиком есть 2 варианта: TJ = 25 °C и TJ = 150 °C (температура канала). В выбранном примере канал будет греться до 175°C (как было определено в первом пункте расчёта). Получается, что в данный момент лучше пользоваться не таблицей, а графиком, для определения сопротивления канала, т.к. данное в таблице значение при TC = 25 °C – это не то, что нам сейчас интересно.

Читайте также:  Тока лайф ворлд полная версия последняя версия

Итак, 8 мОм (0,008 Ом) – это сопротивление канала при его температуре 25 °C. Чтобы определить сопротивление при температуре TJMAX=175°C ищем график зависимости нормализованного сопротивления канала от его температуры:

По горизонтальной оси здесь температура соединения, а по вертикальной коэффициент приращения к сопротивлению. Можно заметить, что при 25 °C он равен 1 (величина безразмерная), т.е. то значение, которое ранее было определено (8 мОм), находится на этом уровне. При температуре 175 °C, коэффициент равен примерно 1,69.

Чтобы найти сопротивление канала при TJ=175°C, нужно умножить сопротивление при 25 °C на коэффициент при 175°C. Получаем 0,008 * 1,69 = 13,52 мОм. RDS(ON)=13,52 мОм (0,01352 Ом).

5. IDMAX

Теперь можно по формуле ниже, определить максимальный ток (DC), который может пропустить транзистор:

Получаем 15,504 ампера.

Однако расчёты с использованием тепловых моделей, основанных на тепловых сопротивлениях, имеют погрешность, которая возникает вследствие упрощения тех самых моделей. Поэтому рекомендуется делать запас по току хотя бы 20 %. Делаем последний расчёт и получаем 12,403 ампера. Это и есть то значение тока, которое SQM50P03-07 может через себя пропустить в режиме насыщения и не сгореть, при заданных выше начальных условиях.

Обратите внимание, как значение в 12 А, отличается от того, что обозначено на первых страницах даташита (50 А, 150 А), такие цифры поначалу сбивают с толку, если не разобраться со всеми нюансами.

В заключении пару слов о Safe Operating Area, это диаграмма, показывающая зоны нормальной работы транзистора в разных режимах. Для того же SQM50P03-07 в даташите есть SOA, однако, как можно заметить, она приведена для температуры канала в 25 °C (не наш случай)

К тому же, далеко не во всех даташитах есть прямая, ограничивающая зону работы по DC, хотя, для грубой оценки, можно использовать и эти данные.

Источник

Транзисторные устройства коммутации и защиты сетей постоянного тока

В сетях постоянного тока в качестве коммутирующего прибора предпочтительное применение находят полностью управляемые приборы — транзисторы. Это объясняется тем, что другие приборы — тиристоры для отключения постоянного тока требуют использования специальной, довольно сложной схемы искусственной коммутации и поэтому находят довольно ограниченное применение.

Как указывалось выше, транзисторные коммутаторы-ключи, должны совмещать функции ограничения максимальных токов нагрузки и защиты сети от короткого замыкания. Для реализации этих функций в составе коммутатора необходимо иметь устройство, обеспечивающее ограничение тока на заданном уровне и отключающее его полностью при затяжном характере перегрузки. Все указанные операции по управлению силовым ключом-транзистором осуществляются в практических схемах с помощью вычислительного устройства,

собранного для уменьшения габаритов, массы и потребления мощности на микросхемах. На рис. 9.1.7 представлена функциональная схема бесконтактного выключателя защиты сети постоянного тока, рассчитанного на ток 30 А при

напряжении 27 В. Выключатель имеет КПД 96 — 98 %, объем 120 см 3 , массу 250

Рис. 9.1.7.Функциональная схема выключателя защиты сетей

г и отключает сеть при максимальном токе 80 А за 3 мкс.

На схеме И — источник питания, Н — нагрузка сети, VT — транзистор, включающий и отключающий нагрузку. Управление транзистором производится от усилителя У, который, в свою очередь, управляется блоком логики Л, получающим информацию о токе нагрузки в виде падения напряжения на резисторе RT. Цепи управления питаются от вторичного источника питания ВИП. Диод VD1 служит для пропуска обратного тока, так как транзистор VT имеет одностороннюю прово­димость, а стабилитрон VD2 защищает транзистор от перенапряжений.

На рис. 9.1.8 изображены временные диаграммы работы ключа. В нормальном режиме работы силовой транзистор-ключ находится в насыщенном состоянии с малым коллекторным падением напряжения и поэтому с малыми потерями. При увеличении тока до предельного значения, называемого током отключения 1откл, транзистор переводится системой управления в широтно-импульсный режим стабилизации тока на уровне тока отключения. Этот режим система управления может поддерживать в течение определенного заданного интервала времени Ти. Если за это время ток уменьшится до нормального значения, то отключение нагрузки не произойдет. Такой режим может быть при кратковременных бросках тока, нагрузки, например при пуске двигателя. Величина ТИ выбирается в соответствии с предполагаемой длительностью броска тока. Если же ток не спадает, например, вследствие короткого замыкания, то по истечении времени ТИ происходит отключение нагрузки путем запирания транзистора. Для обеспечения автоматического повторного включения схема управления производит периодические контрольные включения с довольно большим интервалом времени Т.

Рис.. 9.1.8. Временные диаграммы тока нагрузки при кратковременном броске тока (кривая 1) и при коротком замыкании (кривая 2)

Источник