Mosfet international rectifier в малогабаритных корпусах

Безопасная эксплуатация IRF3205

У всех МОСФЕТ транзисторов одинаковые причины для поломки.

Первое, о чем стоит помнить, так это о характеристиках конкретного экземпляра. Не вздумайте использовать его на недопустимых пределах. А при использовании на больших мощностях всегда нужно иметь под рукой дополнительное охлаждения в виде радиатора и, при необходимости, кулера.

Вторая по распространенности проблема — короткое замыкание между стоком и истоком. При такой ситуации кристалл внутри транзистора может легко расплавиться, что приведет устройство в негодность.

Последнее, о чем стоит помнить, это напряжение на затворе. В случае с этим МОП-транзистором, слой диэлектрика способен разрушиться при превышении 25 Вольт на затворе.

Чтобы выбрать подходящий для любого проекта транзистор, нужно опираться на его запас по мощности. Желательно, чтобы этот запас составлял около 30%: этого должно хватить и на нестабильность питания, и на возможную неисправность других компонентов.

Полевой транзистор, принцип работы

По-простому, как работает полевой транзистор с управляющим р-п переходом, можно сказать так: радиодеталь состоит из двух зон: р — перехода и п — перехода. По зоне п течет электрический ток. Зона р – перекрывающая зона своего рода вентиль. Если на нее сильно надавить, она перекрывает зону для прохождения тока и его проходит меньше. Или, если давление снизить пройдет больше. Такое давление осуществляют увеличением напряжения на контакте затвора, находящегося в зоне р.

Прибор с управляющим р — п канальным переходом — это полупроводниковая пластина с электропроводностью одного из этих типов. К торцам пластины подсоединены контакты: сток и исток, в середине — контакт затвора. Действие устройства основано на изменяемости толщины пространства р-п перехода. Поскольку в запирающей области почти нет подвижных носителей заряда, ее проводимость равна нулю. В полупроводниковой пластине, в области не под воздействием запирающего слоя, создается проводящий ток канал. При подаче отрицательного напряжения по отношению к истоку, на затвор создается поток, по которому истекают носители заряда.

В случае изолированного затвора, на нем расположен тонкий слой диэлектрика. Этот вид устройства работает на принципе электрического поля. Чтобы разрушить его достаточно небольшого электричества. Поэтому для защиты от статического напряжения, которое может достигать тысяч вольт, создают специальные корпуса приборов — они позволяют минимизировать воздействие вирусного электричества.

Проверка полевого MOSFET транзистора цифровым мультиметром

Для примера возьмем полевой МОП-транзистор с каналом n-типа IRF 640. Условно-графическое обозначение такого транзистора и его цоколевку вы видите на следующем рисунке.

Перед началом проверки транзистора замкните все его выводы между собой, что бы снять возможный заряд с транзистора.

Проверка встроенного диода

Для начал следует подготовить мультимер и перевести его в режим проверки диодов. Для этого переключатель режимов/пределов установите в положение с изображением диода.

В этом режиме мультиметр при подключении диода в прямом направлении (плюс прибора на анод, минус прибора на катод) показывает падение напряжения на p-n переходе диода. При включении диода в обратном направлении мультиметр показывает «1».

Итак, подключаем щупы мультиметра, как было сказано выше, в прямом включении диода. Таким образом, красный шум (+) подключаем на исток, а черный (-) на сток.

Мультиметр должен показать падение напряжение на переходе порядка 0,5-0,7.

Меняем полярность подключения встроенного диода, при этом мультиметр, при исправности диода покажет «1».

Проверка работы полевого МОП транзистора

Проверяемый нами МОП-транзистор имеет канал n-типа, поэтому, что бы канал стал электропроводен необходимо на затвор транзистора относительно истока либо стока подать положительный потенциал. При этом электроны из подложки переместятся в канал, а дырки будут вытолкнуты из канала. В результате канал между истоком и стоком станет электропроводен и через транзистор потечет ток.

Для открытия транзистора будет достаточно напряжения на щупах мультиметра в режиме прозвонки диодов.

Поэтому черный (отрицательный) щуп мультиметра подключаем на исток (или сток), а красным касаемся затвора.

Если транзистор исправен, то канал исток-сток станет электропроводным, то есть транзистор откроется.

Теперь если прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет какое-то значение падение напряжения на канале, в виду того, что через транзистор потечет ток.

Таким образом черный щуп транзистора ставим на исток, а красный на сток и мультиметр покажет падение напряжение на канале.

Если поменять полярность щупов, то показания мультиметра будут примерно одинаковыми.

Что бы закрыть транзистор достаточно относительно истока на затвор подать отрицательный потенциал.

Следовательно, подключаем положительный (красный) щуп мультиметра на исток, а черным касаемся затвор.

При этом исправный транзистор закроется. И если после этого прозвонить канал исток-сток, то мультиметр покажет лишь падение напряжения на встроенном диоде.

Если транзистор управляется напряжением с мультиметра (то есть открывается и закрывается), значит можно сделать вывод, что транзистор исправен.

Проверка полевого МОП – транзистора с каналом p-типа осуществляется подобным образом. За тем исключением, что во всех пунктах проверки полярность подключения щупов меняется на противоположную.

Более подробно и просто всю методику проверки полевого транзистора я изложил в следующем видеоуроке:

Применение IRF3205

Максимальное напряжение стока-истока в 55 В дает возможность использовать этот транзистор в схемах преобразователей напряжения, импульсных источников питания, блоков питания, источниках бесперебойного питания и прочем. Также зачастую при создании высокочастотных инверторов.

Так как IRF3205 имеет малую паразитную емкость, а, соответственно, и время открытия/закрытия, в совокупности с очень маленьким сопротивлением, то он является универсальным вариантом для многих проектов, связанных с коммутацией небольшого напряжения.

Если же Вам не хватает токовых характеристик этого транзистора, Вы можете подключить несколько штук параллельно, что дает хорошую возможность использовать его для управления большой нагрузкой.

Как проверить полевой транзистор?

В норме сопротивление между любыми выводами ПТ бесконечно велико.

И, если тестер показывает какое-то небольшое сопротивление, то ПТ, скорее всего, пробит и подлежит замене.

Во многих ПТ имеется встроенный диод между стоком и истоком для защиты канала от обратного напряжения (напряжения обратной полярности).

Таким образом, если поставить «+» тестера (красный щуп, соединенный с «красным» входом тестера) на исток, а «-» (черный щуп, соединенный с черным входом тестера) на сток, то канал будет «звониться», как обычный диод в прямом направлении.

Это справедливо для ПТ с n-каналом. Для ПТ с p-каналом полярность щупов будет обратной.

Как проверить диод с помощью цифрового тестера, описано в соответствующей статье. Т.е. на участке «сток — исток» будет падать напряжение 500-600 мВ.

Если поменять полярность щупов, к диоду будет приложено обратное напряжение, он будет закрыт и тестер это зафиксирует.

Однако исправность защитного диода еще не говорит об исправности транзистора в целом. Более того, если «прозванивать» ПТ, не выпаивая из схемы, то из-за параллельно подключенных цепей не всегда можно сделать однозначный вывод даже об исправности защитного диода.

В таких случаях можно выпаять транзистор, и, используя небольшую схему для тестирования, однозначно ответить на вопрос – исправен ли ПТ или нет.

В исходном состоянии кнопка S1 разомкнута, напряжение на затворе относительно стока равно нулю. ПТ закрыт, и светодиод HL1 не светится.

При замыкании кнопки на резисторе R3 появляется падение напряжения (около 4 В), приложенное между истоком и затвором. ПТ открывается, и светодиод HL1 светится.

Эту схему можно собрать в виде модуля с разъемом для ПТ. Транзисторы в корпусе D2 pack (который предназначен для монтажа на печатную плату) в разъем не вставишь, но можно припаять к его электродам проводники, и уже их вставить в разъем. Для проверки ПТ с p-каналом полярность питания и светодиода нужно изменить на обратную.

Иногда полупроводниковые приборы выходят из строя бурно, с пиротехническими, дымовыми и световыми эффектами.

В этом случае на корпусе образуются дыры, он трескается или разлетается на куски. И можно сделать однозначный вывод об их неисправности, не прибегая к приборам.

В заключение скажем, что буквы MOS в аббревиатуре MOSFET расшифровываются как Metal — Oxide — Semiconductor (металл – оксид – полупроводник). Такова структура ПТ – металлический затвор («кран») отделен от канала из полупроводника слоем диэлектрика (оксида кремния).

Надеюсь, с «трубами», «кранами» и прочей «сантехникой» вы сегодня разобрались.

Однако, теория, как известно, без практики мертва! Надо обязательно поэкспериментировать с полевиками, поковыряться, повозиться с их проверкой, пощупать, так сказать.

Подключение IRF3205

Подключение данного транзистора ничем не отличается от способа подключения остальных n-канальных МОП-транзисторов в корпусе ТО-220. Ниже Вы можете увидеть цоколевку выводов MOSFET’а:

Управление осуществляется затвором (gate). В теории, полевику все равно где у него сток, а где исток. Однако в жизни проблема заключается в том, что ради улучшения характеристик транзистора контакты стока и стока производители делают разными. А на мощных моделях из-за технического процесса образуется паразитный обратный диод.

Подключение к микроконтроллеру

Так как для открытия транзистора на затвор необходимо подать около 20В, то подключить его напрямую к МК, который выйдет максимум 5, не получится. Есть несколько способов решения этой задачи:

• Регулировать напряжение на затворе менее мощным транзистором, благодаря которому можно управлять напряжением в 5В. В таком случае схема будет простая и все, что придется добавить — это два резистора (подтягивающий на 10 кОм и ограничивающий ток на 100 Ом)
• Использовать специализированный драйвер. Такая микросхема будет формировать необходимый сигнал управления и выравнивать уровень между контроллером и транзистором. Ниже приведена одна из возможных схем для такого способа.
• Воспользоваться другим транзистором, у которого вольтаж открытия будет ниже. Вот список наиболее мощных и распространенных транзисторов, которые можно использовать с микроконтроллерами такими, как arduino, например:
  • IRF3704ZPBF
  • IRLB8743PBF
  • IRL2203NPBF
  • IRLB8748PBF
  • IRL8113PBF

Выходные характеристики

Семейство выходных характеристик транзистора с управляющим рп-переходом в схеме с общим истоком показано на рис. 26.4. Они ана­логичны выходным характеристикам биполярного транзистора. Эти ха­рактеристики показывают зависимость выходного тока I_D от выходного напряжения V_DS(напряжения между стоком и истоком) для заданных Значений напряжения на затворе V_GS(напряжения между затвором и истоком).

Диапазон изменения смещающего напряжения затвор-исток доволь­но велик (несколько вольт) в отличие от биполярного транзистора, где напряжение база-эмиттер практически постоянно. Видно, что при увеличении (по абсолютной величине) напряжения на затворе ток стока уменьшается. Это уменьшение происходит до тех пор, пока расширяющийся обедненный слой перехода затвор-канал не пере­кроет весь канал, останавливая протекание тока. В этом случае говорят, что полевой транзистор находится в состоянии отсечки.

Схема полевого транзистора.

Напряжение отсечки

рассмотрим выходную характеристику для V_GS= 0. При уве­личении напряжения V_DS(от нулевого значения) ток стока постепенно увеличивается, пока не достигает точки Р, после которой величина тока практически не изменяется. Напряжение в точке Р называется напря­жением отсечки. При этом напряжении обедненный слой, связанный с обратносмещенным переходом затвор-канал, почти полностью перекры­вает канал. Однако протекание тока I_Dв этой точке не прекращается, поскольку благодаря этому току как раз и создается обедненный слой. Все кривые семейства выходных характеристик имеют свои точки отсеч­ки: P₁, P₂ и т. д. Если соединить эти точки друг с другом линией, то правее ее лежит область отсечки, являющаяся рабочей областью полевого транзистора.

Полевой транзистор.

Усилитель на полевом транзисторе с общим истоком

Схема типичного усилителя ЗЧ на полевом транзисторе показана на рис. 26.5. В этой схеме через резистор утечки R₁ отводится на шасси очень малый ток утечки затвора. Резистор R₃ обеспечивает необходимое обратное смещение, поднимая потенциал истока выше потенциала затво­ра. Кроме того, этот резистор обеспечивает также стабильность режима усилителя по постоянному току. R₂ – нагрузочный резистор, который может иметь очень большое сопротивление (до 1,5 МОм). Развязыва­ющий конденсатор С₂ в цепи истока устраняет отрицательную обратную связь по переменному току через резистор R₃. Следует отметить, что раз­делительный конденсатор С₁ может иметь небольшую емкость (0,1 мкФ) благодаря высокому входному сопротивлению полевого транзистора.

При подаче сигнала на вход усилителя изменяется ток стока, вызы­вая, в свою очередь, изменение выходного напряжения на стоке транзи­стора. Во время положительного полупериода входного сигнала напря­жение на затворе увеличивается в положительном направлении, обратное напряжение смещения перехода затвор-исток уменьшается и, следовательно, увеличивается ток I_Dполевого транзистора. Увеличение I_D приводит к уменьшению выходного (стокового) напряжения, и на выходе воспроизводится отрицательный полупериод усиленного сигнала. И на­оборот, отрицательному полупериоду входного сигнала соответствует по­ложительный полупериод выходного сигнала. Таким образом, входной и выходной сигналы усилителя с общим истоком находятся в противофазе.

Применение полевых транзисторов с p-n-переходом (JFET)

В инженерной практике полевые транзисторы с управляющим p-n-переходом чаще всего применяют в аналоговых трактах совместно с операционными усилителями или в силовых схемах в качестве ключей. Вкратце рассмотрим несколько примеров применения полевых транзисторов с p-n-переходом в практических схемах.

На рис. 6 показана схема фотодиодного усилителя. Полевой транзистор с p-n-переходом используется здесь в качестве повторителя: он изолирует фотодиод от транзистора, поэтому емкость фотодиода приблизительно равная 3000 пФ «отрезается» от инвертирующего входа операционного усилителя, за счет чего заметно возрастает полоса пропускания.

Коэффициент передачи шума в рассматриваемой схеме определяется выражением:

КШ = 1 + С_ВХ/С_ВЫХ. (5)

За счет уменьшения входной емкости использование полевого транзистора позволяет также снизить шум схемы. Кроме того, полевой транзистор увеличивает входное сопротивление схемы, следовательно, уменьшает коэффициент усиления входного смещения, который определяется выражением:

КУ_СМ = 1 + R_ОС/R_ВХ. (6)

Рис. 6. Схема фотодиодного усилителя

Недостаток схемы (рис. 6) заключается в том, что к фотодиоду прикладывается отрицательное напряжение, из-за чего возрастает его темновой ток, который к тому же зависит от температуры. Если пользователей интересует только переменная составляющая сигнала фотодиода, указанным недостатком можно пренебречь. Если же важна и постоянная составляющая сигнала, следует воспользоваться улучшенной схемой фотодиодного усилителя (рис. 7). В этой схеме используются два согласованных полевых транзистора в одном корпусе. Нижний транзистор является источником тока, величина тока задается сопротивлением R2 в цепи истока и выбирается таким образом, чтобы потенциал катода фотодиода был близок к нулю. Для более точной подстройки нулевого смещения можно добавить потенциометры R4 и R6.

Рис. 7. Улучшенная схема фотодиодного усилителя

Полевые транзисторы с p-n-переходом удобно использовать в качестве переменных сопротивлений, управляемых напряжением в схемах усилителя с управляемым коэффициентом усиления, или аттенюаторов. Последний вариант изображен на рис. 8. В этой схеме использован n-канальный полевой транзистор, на его затвор подается напряжение с потенциометра VR1, таким образом задается коэффициент ослабления. Возможно и иное решение, например, в качестве управляющего напряжения вместо потенциометра VR1 можно использовать пульсирующее напряжение, в этом случае мы получим простой и экономичный модулятор.

Рис. 8. Схема аттенюатора

Благодаря использованию карбида кремния (SiC) удалось получить полупроводниковые приборы с широкой запрещенной зоной, а следовательно, с повышенным нормируемым рабочим напряжением, что позволило применять их в силовых преобразователях. Сегодня производятся полевые транзисторы с нормируемым напряжением вплоть до 1700 В.

Рис. 9. Каскод c SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

В силовых преобразователях с полевыми SiC-транзисторами с управляемым p-n-переходом последние строятся по хорошо известной еще с ламповых времен схеме каскода (рис. 9). В этой схеме к относительно дорогостоящему высоковольтному SiC-транзистору добавлен обычный низковольтный недорогой кремниевый MOSFET стоимостью «пятачок на пучок». На этом же рисунке можно видеть описание режимов работы каскода.

Рис. 10. Схема суперкаскода с SiC полевыми транзисторами с p-n-переходом

Увеличения нормируемого рабочего напряжения можно достичь с помощью последовательного включения нескольких полевых SiC-транзисторов с p-n-переходом. На рис. 10 показана образованная таким методом схема суперкаскода с нормируемым напряжением 6500 В. В схеме суперкаскода последовательно соединены пять полевых SiC  транзисторов с управляемым p-n-переходом с рабочим напряжением 1700 В.

Маркировка IRF3205

В маркировке данного транзистора первые две буквы (IR) означают первого производителя — International Rectifier. Сейчас этот транзистор выпускается многими компаниями, но именно с этой началась история этого компонента.

Помимо оригинальной версии, на данный момент существует еще и бессвинцовая версия, которая помечается постфиксом “Z” — (IRF3205Z), но раньше обозначение выглядело по-другому, а именно — “PbF”, что расшифровывается как Plumbum Free.

А также существуют версии в других корпусах: IRF3205ZL — TO262 (припаивание стока-радиатора к плате для охлаждения) и IRF3205ZS — D2Pak (для поверхностного монтажа).

TO262 и D2Pak, который иначе называется TO263, отличаются тем, что первый предназначен для монтажа в отверстия на плате, после чего загибается и припаивается радиатором к ней же. TO263, в свою очередь, не требует отверстий и обладает короткими выводами, что позволяет использовать его при поверхностном монтаже на небольших платах.

Устройство транзистора.

Дадим схематическое изображение структуры полевого транзистора с управляющим переходом и каналом p-типа. (рис. 1.85) и условное графическое обозначение этого транзистора (рис. 1.86, а). Стрелка указывает направление от слоя pк слою n (как и стрелка в изображении эмиттера биполярного транзистора). В интегральных микросхемах линейные размеры транзисторов могут быть меньше 1 мкм.

Удельное сопротивление слоя n(затвора) намного меньше удельного сопротивления слоя p (канала), поэтому область p-n-перехода, обедненная подвижными носителями заряда и имеющая очень большое удельное сопротивление, расположена главным образом в слое р.

Если типы проводимости слоев полупроводника в рассмотренном транзисторе изменить на противоположные, то получим полевой транзистор с управляющим p-n-переходом и каналом n-типа, его условное графическое обозначение представлено на рис. 1.86, б.

Обозначения электродов сток и исток достаточно условны. Если взять любой полевой транзистор, не подсоединенный к какой-либо цепи, то совсем нет разницы какой вывод корпуса сток, а какой исток. Имя электрода определяется его расположения в схеме.

Работа полевого транзистора JFET с N-каналом

Напряжение на затворе U_зи = 0. Подсоединим источник питания плюсом к стоку, минус к истоку. Затвор также подключим на общий. Начнем плавно увеличивать напряжение на стоке U_си. Пока оно мало, ширина канала наибольшая. В таком виде полевой транзистор выглядит как обычный проводник. Чем выше уровень напряжения U_си, тем выше ток через канал между стоком и истоком I_си. Это состояние иногда именуют омической областью.

С увеличением U_си, в областях N-типа плавно снижается количество электронов – образуется обедненный слой. Он растет несимметрично, сильнее со стороны стока, т.к туда подсоединен источник питания. В результате канал становится уже и при последующем повышении напряжения U_си, ток I_си будет увеличиваться на очень малые значения. Это состояние получило название режим насыщения.

Полупроводниковые приборы, работа которых основана на модуляции сопротивления полупроводникового материала поперечным электрическим полем, называются полевыми транзисторами.

У них в создании электрического тока участвуют носители заряда только одного типа (электроны либо дырки).

Полевые транзисторы бывают двух видов:

— с управляющим p-n-переходом;— со структурой металл-диэлектрик-полупроводник (МДП)

Транзистор с управляющим p-n-переходом представляет собой пластину (участок) из полупроводникового материала с электропроводностью p- либо n-типа, к торцам которой подсоединены электроды — сток и исток. Вдоль пластины выполнен электрический переход (p-n-переход или барьер Шотки), от которого выведен электрод — затвор.

Полевым транзистором называется полупроводниковый прибор, Усилитель ные свойства которого обусловлены потоком основных но­сителей, протекающим через проводящий канал, управляемый электричёским полем. Действие полевого транзистора обусловлено носителями заряда одной полярности.

Таким образом, в пластинке по­лупроводника, не охваченной запирающим слоем, образуется токопроводящий канал, сечение которого зависит от толщины ОПЗ. Если включить источник питания Е2, как, показано на [рис. 6.1, то через пластинку полупроводника, между выпрямляющи­ми контактами потечет ток. Область в полупроводнике, в которой регулируется поток носителей заряда, на­зывают проводящим каналом.

Электрод полевого транзистора, через который в проводящий ка­нал втекают носители заряда, называют истоком, а электрод, через который они вытекают из канала, — стоком.

Электрод полевого транзистора, на который подается электриче­ский сигнал» используемый для управления величиной тока, проте­кающего через канал, называют затвором.

Поскольку р-n — переход включен в обратном направлении, входное сопротивление прибора очень велико.

Характеристики IRF3205

• Постоянный максимальный ток на коллектора при 10В и 25C — 110А
• Постоянный максимальный ток на коллекторе при 10В и 100C — 80А
• Максимальный ток при импульсном режиме — 390А
• Максимальное напряжение на канале сток-исток — 55В
• Напряжение для открытия — 2-4В
• Максимальное напряжение на затворе — ±20В
• Сопротивление канала сток-исток — 8 мОм
• Емкость затвора — ±3200 пФ
• Время открытия — ±14 нс
• Время закрытия — ±50 нс
• Максимальная мощность рассеивания — 200 Вт
• Диапазон рабочих температур — -55-175C
• Температура пайки (до 10 секунд) — 300C

Отдельное замечание по поводу максимального тока на коллекторе. Официально указанные 110 Ампер — это действительно максимальная сила тока для кристалла, но к нему он идет по тонкой проволочке от контакта истока. Она может выдержать максимум 75А. Это ограничение носит название “Максимальный ток корпуса”.

Если Вам необходимы полные характеристики и графики зависимости, то найти Вы их сможете в официальном datasheet.