3.4. Практикум: разбираем схемы

$T_1$ — истоковый повторитель, $T_2$ — источник тока с затвором на истоке. Если $T_1$ и $T_2$ — согласованная пара на одном кристалле, ток $T_2$ — это $I_{Снач}$, и $T_1$ работает при том же токе, то есть при $U_{ЗИ}=0$: выход повторяет вход без сдвига уровня. Буфер на выходе даёт малое выходное сопротивление.

Экран. Ёмкость экранированного провода между жилой и оплёткой — десятки пикофарад на метр. Будь экран заземлён, высокоомный источник (гигаомы) заряжал бы эту ёмкость целую вечность, а утечка по изоляции кабеля нагружала бы его. Экран же подключён к выходу и повторяет входной сигнал: напряжение между жилой и экраном почти нулевое, ток через ёмкость и изоляцию не течёт — ёмкость кабеля как бы исчезает.

Защита. Резистор 100 кОм и диоды на шины ±15 В ограничивают ток, если на вход попадёт высокое напряжение. В рабочем режиме сигнал далеко от шин, на диодах большое обратное напряжение — поэтому берут особо малоутечечные диоды (например, переходы ПТ вроде 2N4117A, включённые диодом). Ещё лучше подключать их не к шинам, а к выходу: тогда напряжение на них почти нулевое и утечки нет совсем. Резистор 10 ГОм задаёт затвору постоянный потенциал, когда источник отключён, и не даёт входу «уплыть» к шине.

Диод параллельно мотору гасит выброс индуктивности при выключении: без него напряжение на стоке подскочит на десятки вольт и пробьёт транзистор. 100 Ом последовательно с затвором ограничивают импульсный ток перезаряда ёмкости затвора из вывода микроконтроллера и гасят звон в проводниках; на частоте ШИМ 490 Гц замедление фронтов на доли микросекунды ничего не стоит. 10 кОм между затвором и истоком держат транзистор закрытым, пока Arduino загружается и его выводы ещё в высокоимпедансном состоянии, — иначе плавающий затвор может приоткрыть ключ, и насос дёрнется или транзистор перегреется в линейном режиме.

IRLZ44N — прибор «логического уровня»: его $R_{вкл}$ нормировано уже при $U_{ЗИ}=4,5–5$ В. У IRFZ44N сопротивление указано при 10 В, а при 5 В он открыт далеко не полностью; при токе 2 А он грелся бы заметно сильнее.

При правильной полярности ток сначала идёт через внутренний диод сток–исток (он смотрит от стока к истоку), исток поднимается почти до +24 В, а затвор через 100 кОм остаётся на земле: $U_{ЗИ}\approx -24$ В. Транзистор открывается, и канал шунтирует диод — падение напряжения определяется только $R_{вкл}$ (канал проводит в обе стороны, так что «обратное» направление тока ему не мешает). При переполюсовке на входе минус: диод заперт, затвор на «земле», которая теперь положительнее входа, $U_{ЗИ}\ge 0$ — транзистор закрыт, нагрузка отключена.

Стабилитрон ограничивает $|U_{ЗИ}|$ величиной 15 В: без него на затвор пришли бы все 24 В, а пробой окисла — около 20 В. Резистор 100 кОм ограничивает ток через стабилитрон.

Затвор на +3,3 В, исток — на 3,3-вольтовой стороне, сток — на 5-вольтовой; каждая сторона подтянута к своему питанию резистором 10 кОм.

Обе отпущены. Исток подтянут к 3,3 В, $U_{ЗИ}=0$ — транзистор закрыт, и 5-вольтовая сторона подтянута к 5 В. На каждой стороне свой высокий уровень.

Тянет 3,3-вольтовая сторона. Исток уходит к нулю, $U_{ЗИ}=3,3$ В — транзистор открывается и тянет к нулю и 5-вольтовую сторону.

Тянет 5-вольтовая сторона. Сток уходит к нулю; сначала проводит внутренний диод сток–исток и опускает исток примерно до 0,6 В, после чего $U_{ЗИ}$ превышает порог, канал открывается и доводит исток почти до нуля. Обе стороны низкие.

Работает в обе стороны потому, что канал МОП-транзистораМОП-транзистор (металл — окисел — полупроводник) — полевой транзистор, затвор которого отделён от канала тонким слоем стекла ${\text{SiO}}_2$; ток затвора практически нулевой (входное сопротивление больше $10^{14}$ Ом). проводит в любом направлении, а внутренний диод «подталкивает» его в нужный момент. Нужен транзистор с порогом заметно ниже 3,3 В.

Пока микроконтроллер в сбросе или загружается, его выводы — входы с высоким сопротивлением. Затвор «висит» в воздухе: его потенциал задают наводки, утечки и заряд, оставшийся с прошлого раза, и транзистор может открыться полностью или наполовину. Наполовину — хуже всего: при токе мотора он работает в линейном режиме и перегревается. Лечение — резистор 10–100 кОм между затвором и истоком (как в схеме б первой подборки).

Исток здесь — вывод, подключённый к лампе, и он не на земле. Транзистор открыт, пока $U_{З}-U_{И}>U_{п}$, то есть исток поднимается лишь до $5-U_{п}$ — примерно 2–3 В. Это истоковый повторитель, а не ключ: на лампе 2–3 В вместо 12, а остальные 9–10 В падают на транзисторе при полном токе — отсюда нагрев. Решения: поставить n-МОП между лампой и землёй (ключ с общим истоком), или взять p-МОП «сверху» с переводчиком уровня, как в выключателях питания, или применить драйвер верхнего ключа, который поднимает затвор выше +12 В.

Вывод даёт на затворе либо 0, либо 3,3 В. Относительно истока (+12 В) это $U_{ЗИ}=-12$ В или $-8,7$ В — в обоих случаях транзистор открыт. Чтобы закрыть p-МОП, затвор надо поднять до истока, то есть до +12 В, а микроконтроллер этого не может. Хуже того, через защитные диоды вывода и внешние цепи 12 В может «просочиться» к выводу 3,3 В. Нужен маленький n-канальный транзистор — переводчик уровня с подтяжкой затвора к +12 В, как во втором выключателе питания в разделе 3.3.

После разделительного конденсатора сигнал колеблется вокруг нуля, то есть уходит ниже земли — за пределы питания ключа. Отрицательные полуволны открывают защитный диод на землю и срезаются (отсюда хрип), а ток через защиту может запустить защёлкиваниеЗащёлкивание — включение паразитного тиристора в КМОП-структуре током через защитные диоды (от ~20 мА): питание замыкается накоротко, микросхема может сгореть. — микросхема греется и может сгореть. Правильно: сместить сигнал на середину питания (делитель на +2,5 В через резистор после конденсатора) или питать ключ двуполярно (±5 В).

У затвора нет пути постоянного тока: его потенциал определяется только зарядом на конденсаторе и утечками. Он медленно дрейфует, и рабочая точка уходит — то в отсечкуОтсечка — переход база–эмиттер не открыт ($U_{БЭ}<0,5$ В), тока коллектора нет: транзистор выключен., то в полное открывание. Кроме того, обогащённому МОП-транзистору нужно, чтобы затвор был выше истока на порог (2–3 В), — смещение должно его задать. Нужен делитель от питания к затвору (например, два резистора по 1 МОм), который установит затвор на нужный постоянный уровень; сигнал подаётся через конденсатор поверх этого смещения.

Делитель ставит затвор на $12\cdot 47/147\approx 3,8$ В, а исток почти на земле. Переход затвор–канал n-канального ПТ с p-n-переходом смещён в прямом направлении: через затвор течёт ток (делитель его ограничивает, но вход теперь — открытый диод), а транзистор полностью открыт, сток почти на нуле — усиления нет. ПТ с p-n-переходом обеднённыйПТ обеднённого типа проводит при $U_{ЗИ}=0$; чтобы его закрыть, на затвор подают обратное смещение больше напряжения отсечки., ему нужно обратное смещение: затвор через резистор на землю, а в исток резистор, на котором ток создаёт нужное $U_{ЗИ}<0$ (автосмещениеАвтосмещение — смещение затвора падением напряжения на истоковом резисторе: ток сам создаёт обратное смещение $U_{ЗИ}=-I_{С}{R}_{И}$, и рабочая точка устанавливается автоматически.), зашунтированный конденсатором.

Ёмкость затвора заряжается через 10 кОм: постоянная времениПостоянная времени $\tau =RC$ (или $L/R$) — за неё экспонента проходит 63% пути к новому значению; за $5\tau$ — 99%. $RC=10^4\cdot 5\cdot 10^{-9}=50$ мкс, а с учётом полки МиллераПолка Миллера — горизонтальный участок графика заряда затвора: $U_{ЗИ}$ стоит на месте, а весь ток затвора уходит на перезаряд ёмкости затвор — сток, пока падает напряжение стока. (200 нКл при токе меньше миллиампера) переключение длится сотни микросекунд — дольше периода 100 кГц (10 мкс). Транзистор вообще не успевает переключиться и всё время работает в линейном режиме при 48 В и амперах тока — десятки ватт тепла. Нужен драйвер затвора, отдающий амперы, и резистор в затворе в единицы ом; заодно стоит проверить, не превышает ли амплитуда на затворе ±20 В.