Схемотехника · урок 12 из 18

Полевой транзистор: ключ без тока управления

MOSFET управляется напряжением, почти не потребляя тока, и коммутирует десятки ампер — им включают моторы, ленты и нагреватели.

Полевой транзистор с изолированным затвором (МОП, MOSFET) — три вывода: затвор, сток, исток. Затвор отделён от канала тонким изолятором, поэтому тока в затвор постоянно не течёт: транзистор управляется напряжением, а не током.

Ключ на n-канальном МОП-транзисторе (по рис. 3.3)

Напряжение затвор–исток выше порогового (1–4 В) — канал открыт, сопротивление сток–исток R_си всего сотые доли ома. Тепло — P = I²·R_си: 5 А на 0,02 Ом — полватта.
Затвор — это конденсатор. Резистор 100 Ом ограничивает бросок тока при переключении, 100 кОм на землю держат транзистор закрытым, пока плата загружается.
Ловушка: обычные MOSFET полностью открываются только при 10 В на затворе. От платы на 3,3–5 В нужен транзистор «логического уровня» (IRLZ44N, AO3400 и т. п.).

MOSFET-ключ: сколько он греется

ШИМ

Ключ можно включать и выключать тысячи раз в секунду. Доля времени «включено» (скважность) задаёт среднюю мощность: так регулируют яркость светодиодной ленты и обороты мотора почти без потерь — транзистор либо полностью открыт, либо закрыт.

Аналоговые ключи

Пары полевых транзисторов внутри микросхем вроде 4066 работают как «электронные тумблеры» для сигналов, а мультиплексоры выбирают один вход из восьми (рис. 3.36–3.38).

Опыт на макетной плате

Нужно: IRLZ44N, резисторы 100 Ом и 100 кОм, светодиодная лента 12 В (кусок) или мотор, диод 1N5819, блок 12 В, плата Arduino (по желанию).

Соберите схему. Затвор на 5 В — лента горит, на 0 — гаснет.
С Arduino: analogWrite(9, 64) — четверть яркости через ШИМ.
Потрогайте транзистор после 5 минут работы — холодный: в нём почти нет потерь.

Проверьте себя

1. Чем управляют полевым транзистором?

2. Ток 4 А, R_си = 0,05 Ом. Тепло?

3. Зачем резистор 100 кОм между затвором и истоком?

4. Почему от платы 3,3 В берут транзисторы «логического уровня»?

По книге: П. Хоровиц, У. Хилл. «Искусство схемотехники» (М.: БИНОМ, 2014), гл. 3, с. 121–160. Текст урока — пересказ, схемы перерисованы.