вторник, 17 марта 2015 г.

N-канальные SI2302 и P-канальные AO3401 маломощные транзисторы MOSFET


Транзисторы покупал в качестве выключателей, электронных ключей, соответственно и описывать буду только возможности в ключевом режиме (включено/выключено). Мои знания по полевым транзисторам несколько устарели, пересказываю то, что сам нашёл и попробовал.

Выбор, параметры

Если говорить о пользе применения полевиков (в частности MOSFET), то у них есть два основных преимущества. Во-первых, они эффективны в режиме ключа, минимальное сопротивление сток-исток в открытом состоянии приводит к минимальным потерям на самом транзисторе, почти вся мощность идёт в нагрузку. В закрытом же состоянии ток утечки не больше нескольких микроампер. В некоторых случаях это даёт возможность заменить ими механические переключатели или реле, прилично при этом сэкономив (как минимум). Во-вторых, транзистор управляется напряжением, через затвор ток почти не идёт, для обоих транзисторов при нормальной температуре заявлен ток утечки 0,1 мкА.

Одним из важных критериев выбора был тип корпуса. Такой подход к выбору транзистора может показаться странным, но мне не нужны были большие мощности, но нужны были мелкие, предельно дешёвые детальки для работы в качестве электронных ключей для небольших (до 2 А) токов. Ориентировался на один из вариантов корпусов SOT.

При таких размерах на большую мощность рассчитывать не приходится. Но сопротивление (сток-исток) современного полевого транзистора (MOSFET и подобные) в открытом состоянии мизерное, а значит токи через него можно пускать довольно приличные. Например, выбранные транзисторы рассчитаны на постоянную работу с токами до 3-4 А. Не так уж много, но взгляните на размеры. И попробуйте найти механический переключатель на такой же ток с такими же размерами, не говоря уже о цене, вряд ли получится. Называть такие транзисторы маломощными как-то непривычно, но всё познаётся в сравнении, действительно мощные транзисторы такого типа могут пропускать через себя десятки ампер.

Не нужно забывать и о других ограничениях. Например, я спалил один из транзисторов, по неопытности превысив максимальную рассеиваемую мощность раза в два. Схема предусматривала ненасыщенные состояния транзистора с большим током (в моём случае - линейный стабилизатор тока). Подключил в качестве нагрузки мощный светодиод (падение напряжения около 3 В), и подал на схему 10 В при расчётном токе 0,35 А, что дало рассеиваемую мощность на транзисторе около 2,5 Вт (это в два раза выше допустимой), ну а дальше дымок и дырка в корпусе. Сначала я думал, что транзистор сгорел из-за превышения максимального напряжения затвор-исток, туда шли те же 10 В при максимуме 8 В у SI2302, но сомнения в том, что такое небольшое превышение может так сказаться на транзистор, привели к другому заключению, более правдоподобному.

Эти транзисторы кратковременно могут работать в более нагруженном режиме, что обычно даёт возможность не беспокоиться о подобных перегрузках в ключевом режиме (не забываем о переходных процессах). В высокочастотных схемах желательно учитывать переходные процессы, там они могут составлять существенную часть времени работы.

Мне больше всего нужны были p-канальные транзисторы, но взял также и n-канальные с похожими характеристиками, они вышли дешевле, но и предельные характеристики у них послабее. Есть ещё более дешевые n-канальные 2N7000 и 2N7002, но брать их смысла мало, у них высокое сопротивление сток-исток, максимальный ток сток-исток на порядок меньше, чем у SI2303.

Работа в режиме ключа

Рассмотрим пример использования таких транзисторов в качестве ключа для включения относительно большой нагрузки. На схеме слева n-канальный транзистор, справа - p-канальный.


Нагрузка может быть подключена как "снизу", так и "сверху", но показанные схемы встречаются чаще. Транзистор управляется напряжением между затвором и истоком. И если в варианте для p-канального транзистора подключить нагрузку к питанию, то исток окажется подключенным к земле, и тогда на затвор для открытия придётся подавать отрицательное напряжение, которое не всегда доступно в общей схеме. Примерно те же проблемы доставляет и иное включение n-канального транзистора - чтобы его открыть, может понадобиться поднять напряжение на затворе выше напряжения питания, которое также может быть недоступно.

Номиналы резисторов R1 и R2 могут быть довольно произвольными, в различных схемах R1 видел от 0 до 10 кОм, R2 от 1 кОм до 1 МОм. Но, как правило, R1 много меньше R2, так как они образуют делитель напряжения, которое здесь снижать нежелательно из-за относительного большого напряжения насыщения затвора (дополнение: наверное, лучше поставить R2 до R1). При необходимости последовательно с нагрузкой (RLOAD) добавляют резистор для ограничения тока, здесь не показан.

На затворе есть ёмкость, здесь меньше 1 нФ, но это всё равно ёмкость, и приходится её учитывать. С одной стороны, эта ёмкость может дать короткое замыкание с землёй или питанием на фронте управляющего сигнала, а с другой - снизить скорость открытия и закрытия транзистора из-за необходимости заряда и разряда этого самого конденсатора.

R1 можно рассчитать из предположения о замыкании затвора на землю или питание. Чем больше это сопротивление, тем меньший ток сможет идти от источника управляющего сигнала до питания или земли через затвор, то есть сопротивление лучше ставить побольше. Но установка очень большого R1 приведёт к ухудшению динамических характеристик - уменьшится максимальная скорость включения, что также приведёт к увеличению времени переходных процессов, а значит и увеличению рассеиваемой мощности. Например, если подключать транзистор к выводу микроконтроллера с максимальным выходным током 40 мА, то резистор нужен не менее 125 Ом (при питании от 5 В).

R2 обычно используется большого номинала. Он здесь для того, чтобы затвор всегда был к чему-то привязан - к земле или питанию. Если не использовать этот резистор, и на управляющем входе схемы ключа будет обрыв (например, высокоомное состояние выхода микроконтроллера, управляющего нагрузкой через этот ключ), то затвор будет болтаться в воздухе, ловя все возможные наводки. Транзистор в "приоткрытом" состоянии будет рассеивать гораздо большую мощность, чем в выключенном и включенном состояниях, поэтому болтающийся в воздухе затвор может привести к выходу из строя транзистора из-за превышения мощности рассеивания.

Если источник управляющего сигнала может принимать высокоомное состояние (обрыв), то следует использовать R2, иначе в нём смысла не много, заряд с затвора будет стекать в источник через R1.

Тесты на SI2302 показали (подтвердили), что при отсутствии этого резистора транзистор начинает работать как память, запоминая последнее напряжение на затворе, но транзистор также остаётся очень чувствительным к внешним воздействиям, например, можно изменить его состояние просто касанием контакта затвора.

Из-за положительного температурного коэффициента сопротивление сток-исток растёт с ростом температуры, получается естественная отрицательная обратная связь по температуре, что добавляет надёжности схемам на полевых транзисторах. Ещё это позволяет включать такие транзисторы в параллель для увеличения максимального тока без существенных доработок, достаточно учесть изменение остальных характеристик такого составного транзистора.

Ключ для реле

Это частный случай приведённой выше ключевой схемы, учитывающий особенности нагрузки. Реле потребляет относительно много тока, поэтому часто подключение его напрямую к управляющему выходу, например микроконтроллера, невозможно.

Простейший усилитель-ключ на транзисторе может решить эту проблему. Применение MOSFET здесь не обязательно, достаточно любого дешевого биполярного транзистора, но все преимущества MOSFET здесь работают, поэтому и их использование иногда может быть оправдано.


Схема аналогична базовой схеме ключа, добавлен только диод D1 для защиты транзистора и индикация включения (светодиод LED1 с резистором R3).


А надо ли?

Часто эти транзисторы могут быть заменены на гораздо более дешёвые биполярные (в 5 и более раз дешевле), например с реле выше. Нужно понимать, что эти транзисторы нужны только в особых случаях, и лепить их при любой возможности может оказаться дорого, если они применяются десятками и больше.

Мне для пробы и нескольких устройств хватит и купленных сорока штук. SI2302 обошлись в 5 центов за штуку, AO3401 - 9 центов за штуку в лотах по 20 штук. Всё покупал на eBay, минимальные цены в розницу оказались там. Для поиска лотов с таким количеством добавьте к поисковому запросу "20pcs".

2 комментария: