Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2016

Внештатный сотрудник

Electronic Design

Несмотря на то, что нитрид-галлиевые транзисторы становятся все более популярным решением для силовых ключей, заслуженные MOSFET до сих пор можно эффективно использовать в современных приложениях.

С созданием нитрид-галлиевых (GaN) транзисторов многие производители полупроводников начали переоценивать роль обычных MOSFET. Из факта появлением GaN устройств автоматически не следует, что обычные MOSFET устарели, однако перспектива повышения эффективности источников питания и уменьшения их размеров подогревает воображение разработчиков аналоговых устройств. В преддверии так называемой «нитрид-галлиевой революции» полезно разобраться, какие типы устройств имеются на сегодняшний день, и что вы можете с ними сделать.

До недавнего времени мир мощных транзисторов был грубо разделен на два типа: MOSFET и биполярные транзисторы. MOSFET остаются доминирующим типом транзисторов в силовых коммутационных схемах благодаря высокой скорости переключения и малому сопротивлению сток-исток. Ежегодно продается порядка 40 млрд. MOSFET.


MOSFET проводят электрический ток в одном направлении (вернее, наиболее эффективно проводят его в одном направлении), а их способность быстро включаться и выключаться при изменении входного напряжения (напряжения на затворе) делает их полезными для формирования импульсов. Наиболее известные из мощных переключательных схем – это импульсные источники питания, однако MOSFET также широко используются в импульсных электроприводах двигателей постоянного тока и звуковых усилителях класса D.

Биполярные транзисторы и IGBT

В отличие от мощных MOSFET, которые включаются и выключаются исключительно быстро и, в идеале, линейны, биполярные транзисторы порождают «мягкие фронты», больше напоминающие синусоидальные сигналы, чем импульсы. Они реагируют на изменения тока на своих входах, и могут использоваться для относительно медленных индуктивных нагрузок: электродвигателей, источников питания потребительских устройств и звуковых динамиков. Ежегодно используется от 7 до 8 млрд. мощных биполярных транзисторов.

Для того чтобы биполярные транзисторы вели себя подобно усилителям, необходимо дополнительно смягчать их переключательные свойства. Надо организовать им входное смещение таким образом, чтобы они всегда находились в линейной области и никогда не были полностью открыты или закрыты. Биполярные транзисторы вполне подходят для управления индуктивными нагрузками, однако, не имея такого низкого сопротивления, как MOSFET, они могут очень сильно нагреваться.


Третий тип, биполярный транзистор с изолированным затвором (insulated-gate bipolar transistor, IGBT), фактически представляет собой биполярный транзистор с встроенным драйвером затвора. Он переключается несколько быстрее, чем биполярные устройства, но не так быстро, как MOSFET. Особое преимущество IGBT – это их способность выдерживать большие напряжения (свыше 600 В) и токи, что делает их фаворитами для управления промышленными электроприводами в системах автоматизации производства (где они управляют конвейерными лентами и манипуляторами роботов), а также в автомобилях (для управления электроприводами люков и зеркал бокового обзора). Ежегодно продается от 1.5 до 2.5 млрд. IGBT.

Поведение транзисторов

Несмотря на доступность широчайшего выбора диапазонов рабочих напряжений и токов мощных транзисторов, выпускаемых в разнообразных корпусах и обеспеченных технической поддержкой производителей, каждому из трех видов транзисторов – биполярным, MOSFET и IGBT – присуще свое поведение, определяющее области их применения. Благодаря дешевизне в больших партиях (например, стоят от 12 до 15 центов за штуку), 100-вольтовые биполярные транзисторы широко используются для получения напряжений ±40 В в усилителях мощности звукового диапазона. (В биполярные транзисторы для аудиоприложений некоторые производители встраивают цепи автоматического смещения).


Между тем, 600-вольтовые IGBT можно найти дома в электроприводах бытовой техники, подключенной к сети переменного тока 220 В, например, в стиральных машинах или сушилках. Основная область применения мощных MOSFET – безусловно, импульсные источники питания. В них транзисторы на напряжения 25, 30 или 40 В, называемые «низковольтные MOSFET», используются для получения питающих напряжений 5 или 12 В, необходимых компьютерам и телекоммуникационной аппаратуре.

Хотя и не всегда, инженеры склонны выбирать транзисторы с запасом по току и напряжению. Вы можете заметить, что в стиральной машине, которая подключается к сети 220 В, используются IGBT, рассчитанные на 600 или 650 В, а в силовых цепях плат серверных модулей, питающиеся от 5.0 В или 3.3 В, установлены MOSFET, допустимые напряжения которых начинаются с 30 В. И, наконец, на стереодинамики работают 100- и 200-вольтовые биполярные транзисторы.

Такой запас позволяет быть уверенным, что наши системы не останутся без источников питания. Кроме того, он защищает от резких выбросов напряжения и скачков тока. (Автомобильное оборудование особенно подвержено выбросам, и для того, чтобы справиться с бросками в 150 В, выбираются компоненты, рассчитанные на 400 В).

Убедить инженеров отказаться от чрезмерного запаса по предельным параметрам, в конечном счете, могут постоянное сглаживание, фильтрация и стабилизация на протяжении всей цепи прохождения питания.


кой подход затронул бы архитектуру вычислительных серверов, где такие производители, как, например, IBM и NTT DOCOMO выступают за распределительные сети 385 В постоянного тока для мегаваттных дата-центров и 48 В как промежуточное напряжение для стоек и шкафов. Это позволило бы разработчикам сузить границы предельных параметров мощных компонентов и, например, использовать меньшие по размерам и более дешевые 60-вольтовые компоненты в тех слотах, где раньше служили компоненты с допустимым напряжением 100 В. При этом инженеры должны обращать внимание на области безопасной работы (safe operating areas – SOA) тех транзисторов, которые они надеются использовать.

Области безопасной работы

Область безопасной работы определяется как множество значений тока и напряжения, в пределах которых можно ожидать, что устройство будет работать без повреждений.

Как правило, область безопасной работы представляется в виде графика в спецификации производителя. Ток в амперах отображается по оси Y. Максимальное напряжение сток-исток для MOSFET (или напряжение коллектор-эмиттер для биполярного транзистора) откладывается по оси X. Кривая обычно напоминает горнолыжный склон, где допустимый ток резко падает с увеличением напряжения.

Поскольку обычно MOSFET используются в импульсных схемах, некоторые производители транзисторов определяют область безопасной работы в зависимости от длительности импульсов (в миллисекундах).


ли транзистор постоянно включен (проводит постоянный ток), то максимальный допустимый ток спадает быстрее, чем если ток пульсирует с интервалом 1 мс или 10 мс. Как видно из Рисунка 1, область безопасной работы будет наибольшей, когда транзистор переключается с периодом 100 мкс (что эквивалентно частоте 10 кГц). Таким образом, область безопасной работы любого транзистора зависит от коэффициента заполнения импульсов, то есть, от соотношения между временами включения и выключения.

Применение MOSFET в современных силовых импульсных устройствах
Рисунок 1. Область безопасной работы для напряжения и тока зависит
от коэффициента заполнения управляющих импульсов.

Драйверы верхнего и нижнего плеча

При выборе транзисторов может оказаться желательным обратить внимание на способ включения MOSFET в схеме источнике питания. В частности, определить, подключена ли индуктивная или резистивная нагрузка между стоком MOSFET и положительной шиной питания (конфигурация, называемая «ключ нижнего плеча»), или же нагрузка подключена между истоком и землей («ключ верхнего плеча»).


Режимы работы транзисторов в верхнем и нижнем плече не всегда одинаковы. Когда драйвер верхнего плеча нагружен больше, чем драйвер нижнего плеча, вы озабочены тем, чтобы он не замкнулся на положительный источник питания. Аналогично, вы не захотите, чтобы драйвер нижнего плеча был закорочен на землю. Таким образом, требования, предъявляемые к драйверам верхнего и нижнего плеча, различны.

В драйвере нижнего плеча вывод истока n-канального транзистора соединен с землей, а сток соединен с индуктивной нагрузкой, другой вывод которой подключен к положительному источнику питания. Любой положительный заряд затвора включает транзистор, открывая путь протекания тока через нагрузку. В схеме нижнего плеча пороговое напряжение на затворе равно уровню логической единицы для управляющей ключом 3-вольтовой КМОП или 5-вольтовой логики.

В конфигурации верхнего плеча сток MOSFET подключается к положительной шине питания, а исток подключается к нагрузке, противоположный вывод которой соединен с землей. При этом только для того, чтобы просто включить n-канальный транзистор, на его затворе должно быть напряжение, равное напряжению на нагрузке (почти равное напряжению питания), плюс пороговое напряжение затвора (3 В).

Каналы p- и n-типа

Простой ключ верхнего плеча можно сделать на p-канальных MOSFET. Использование отрицательного напряжения для открывания p -канального MOSFET меняет схему управления. А именно, чтобы дать транзистору «проводить ток», надо опустить управляющее напряжение ниже порога, а чтобы его выключить, надо подать на затвор напряжение шины питания.


Но p-канальные транзисторы сложны в изготовлении, и, соответственно, дороже обычных n-канальных приборов, а для их открывания может потребоваться отрицательное напряжение на затворе (или, по крайней мере, подключение затвора к земле). Это подходит для батарейного питания переносной аппаратуры, но неудобно для импульсных источников питания.

Одним из решений из решений может быть объединение n- и p-канального транзисторов в двухтактной конфигурации, где они проводят ток поочередно. Здесь стоки p-канального MOSFET верхнего плеча и n-канального MOSFET нижнего плеча соединены вместе, а их затворы управляются синхронно, в результате чего получается один сильноточный ключ. Разработчик должен контролировать процесс переключения, не допуская сквозных токов, которые могут возникать, если оба MOSFET включаются одновременно.

В качестве альтернативы не полностью согласованным p- и n-канальным MOSFET можно использовать микросхему драйвера затворов, которая управляет MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной схеме. (Оба устройства n-канальные). Оба транзистора могут включаться и выключаться одной микросхемой (Рисунок 2).


Применение MOSFET в современных силовых импульсных устройствах
Рисунок 2. Разработчики могут выбрать микросхему драйвера затворов,
управляющую MOSFET верхнего и нижнего плеча в двухтактной
схеме. (Оба устройства n-канальные).

И последнее замечание. Низкое сопротивление сток-исток открытого транзистора (RDS(on)) под нагрузкой не говорит о хороших переключательных характеристиках MOSFET, хотя обычно производители на первом месте указывают в спецификации именно низкое значение RDS(on). От величины сопротивления RDS(on) зависит эффективность полевого транзистора – чем оно меньше, тем меньше выделяется тепла. Однако при снижении сопротивления транзистора падает скорость его переключения. Это связано с тем, что для снижения RDS(on) приходится увеличивать размеры затвора, что увеличивает его емкость и затрудняет управление транзистором.

Немного о мехмодах

мехмодМехмод – это, грубо говоря, разновидность боксмода. Для тех, кто не знает, что такое боксмод – это дополнение к электронной сигарете, в котором содержатся одна или несколько аккумуляторных батарей. Он нужен для интенсивного длительного парения без подзарядки.


Мехмод — наиболее простая форма боксмода. Чаще он изготавливается в виде трубки на одну батарейку с кнопкой для подачи напряжения на атомайзер. Никакой сложной электроники там нет.

В этом и заключается главный плюс мехмода: благодаря примитивности устройства его очень сложно сломать.

Кроме того, устройство не боится воды.

мосфетБлагодаря мехмоду можно получить максимум мощности из аккумулятора. В то же время он не защищен от перегрузки, перегрева или короткого замыкания, поэтому нужно соблюдать осторожность. Собственно говоря, именно отсюда растут ноги у легенд про взрывы. С натяжкой, конечно, неприятные последствия можно назвать взрывом. На самом деле, при неправильном использовании может произойти короткое замыкание и перегореть атомайзер – что тоже, в общем-то, малоприятно. Поэтому мехмод в первую очередь рекомендуется использовать с дрипкой из-за, опять же, простоты ее конструкции.

Немного о мосфетах

Мосфет, а точнее – MOSFET, расшифровывается как Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. Еще его называют моп-транзистор или полевой транзистор.

Состоит мосфет из диэлектрика, полупроводника и металла. У него четыре электрода: исток, сток, подложка и затвор.

Его отличительная особенность в том, что затвор изолирован от канала слоем диэлектрика. Чаще используется двуокись кремния.

Состоит из трех слоев:


  1. Пластина, вырезанная из однородного кристалла кремния или из кремния с примесью германия.
  2. Напыление очень тонкой прослойки диэлектрика (изолятора) из диоксида кремния или оксида металла (оксиды алюминия или циркония) толщиною от 1,2 нм до 10 нм.
  3. Хорошо проводящий металл. Чаще всего для этой цели используют золото.

Для чего он используется? Обычно мосфет применяют:

  • мосфетв качестве усилителя сигнала;
  • в качестве выпрямителя;
  • для понижения напряжения.

По сути, мосфет позволяет управлять протекающим через него электрическим током, и это качество делает возможным (и нужным) его применение в мехмодах. Также его сфера применения распространяется на компьютерную технику, некоторые бытовые приборы и даже рабочие электроинструменты.

Назначение мосфета в мехмоде

А теперь о том, зачем эту штуку устанавливают в мехмоды. В первую очередь, для безопасности. Если случится перегрузка или короткое замыкание, он прервет подачу напряжения, тем самым предотвратив беду – возгорание или тот самый пресловутый взрыв. Иногда в мехмодах с аналогичными целями устанавливаются защитные фьюзы.

парКроме того, он обеспечивает уменьшение потерь напряжения, то есть, фактически, увеличивает его и регулирует. Если без мосфета можно пользоваться намоткой спирали атомайзера с сопротивлением не более 2 Ом, то с ним можно без опаски применять и больше. Это позволяет получить много качественного, густого, насыщенного пара. Это еще одна важная причина, по которой многие вейперы предпочитают использовать моды с мосфетом. Поступление напряжения на атомайзер, а значит, и парообразование, происходит сразу же после замыкания цепи, без задержек.

Еще одна полезная функция, которую в состоянии обеспечить моп-транзистор при использовании в механическом моде, это продление срока жизни кнопок и контактов. Без него они рано или поздно выгорают, кнопка также сильно нагревается, что делает использование устройства некомфортным. Мосфет не дает им перегреваться и выгорать, а значит – продлевает срок бесперебойной работы всего мода.

Своими руками

Мехмод на мосфете можно и купить, конечно. Но поклонники вейпинга, всерьез увлекающиеся этим делом, разбирающиеся в устройстве приборов для курения и с руками из нужного места, предпочитают делать моды самостоятельно.

Итак, чтобы собрать механический мод с мосфетом, понадобятся:

  • коннектор 510;
  • кнопка;
  • рамка для аккумуляторов;
  • корпус;
  • соединительные провода;
  • мосфет;
  • фольгированный текстолит;
  • термоклей;
  • аккумуляторы 18650;
  • паяльник.

корпусКорпус изделия может быть каким угодно, из любого материала – дерева, пластика, металла. Бюджетный, но в то же время недолговечный, да и не очень красивый вариант можно сделать из картона. Главное, чтобы подходил по размеру и был удобен в использовании, а как он будет выглядеть – дело вкуса и финансовых возможностей.

Какую выбрать кнопку, тоже зависит от личных предпочтений. Они бывают пластиковые, металлические, различного цвета, размера и формы. Главное – выбирать надежный вариант, который в состоянии выдержать условия эксплуатации.

Мосфет можно приобрести в любом магазине радиодеталей либо снять с ненужной материнской платы от компьютера.

Главное, заниматься сборкой этого (да и любого другого) устройства стоит, только если есть опыт и понимание электроники. В противном случае либо ничего не получится, либо, неправильно собранный прибор в процессе использования расплавится, загорится и может нанести тем самым вред владельцу и его имуществу.

CAMOKAT-BETEPAHA › Блог › Мосфеты — это не конфеты.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Adblock
detector