ПРОЕКТ №33: Простые конструкции на MOSFET-транзисторах

• 1. Регулятор напряжения
• 2. Симметричный мультивибратор
• 3. Стабилизатор напряжения
• 4. Усилитель НЧ

Возникла идея выполнить несколько опытов по реализации простых конструкций на MOSFET-транзисторах с индуцированным каналом N-типа. Попробую. Возможно, что-то станет основой для будущих проектов моих студентов.

1. Регулятор напряжения
на биполярном транзисторе:
или

и на MOSFETe:

Схемы, как видим, практически, одинаковые.

На вход регулятора подано напряжение:

Напряжение на выходе (R в нижнем положении):

Напряжение на выходе (R в верхнем положении):

Разница между Uвх и Uвых равна падению напряжения на транзисторе:
12,95 – 11,41 =1,54 В.
Как видно, Uвых плавно меняется от 0  до 11,41 В, но его увеличение начинается не с крайнего нижнего положения движка R, а после поворота на некоторый угол (≈ 880 Ом), т.е. когда напряжение на затворе достигнет величины, необходимой для создания (индуцирования) канала проводимости – отпирания транзистора.
Угол поворота есть, но на выходе 0 В:

Угол поворота движка резистора несколько увеличился, увеличилось напряжение на затворе, начинается рост Uвых:

Средний угол поворота:

Максимальный угол поворота:

Регулятор работает вполне нормально. Правда, никакого выигрыша по сравнению с регулятором на биполярном транзисторе, не получится. Закон Ома никто не отменил и на кривой кобыле не объехал. Закон Джоуля-Ленца – аналогично. Поэтому нагрев будет тем больше, чем больше разница между Uвх и Uвых, и чем больше ток. Величина тока зависит от мощности трансформатора и параметров вторичной обмотки. Короче: детка за репку, бабка за детку и далее по тексту (в том смысле, что одно цепляется за друное).

2. Симметричный мультивибратор
Когда-то я посвятил небольшой цикл мультивибратору на биполярных транзисторах (см. «Мультивибратор» в разделе РАДИОбиблиотека). Напомню стандартную схему симметричного мультивибратора:

Там же приводится пример мультивибратора на ПОЛЕВЫХ транзисторах:

ВНИМАНИЕ! В данном случае НЕТ ПРЯМОЙ ЗАМЕНЫ биполярных транзисторов полевыми. Частотозадающие цепочки и нагрузка ВКЛЮЧАЮТСЯ ИНАЧЕ!

Далее цитата:
В данном мультивибраторе использованы отечественные полевые n-канальные транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом. Внутри корпуса между выводами затвора и истока стоит защитный стабилитрон, который защищает транзистор при неумелом обращении. Конечно, не на 100%. 
Частота переключения мультивибратора 2 Гц. Она задаётся, как обычно, С1, С2, R1, R2. Нагрузка - лампы накаливания EL1, EL2.
Резисторы, включенные между стоком и затвором транзисторов, обеспечивают «мягкий» пуск мультивибратора, но, одновременно, несколько «затягивают» выключение транзисторов.
Вместо ламп накаливания нагрузкой в цепях стоков могут служить светодиоды с дополнительными резисторами или телефоны типа ТК-47. В этом случае, разумеется, мультивибратор должен работать в области звуковых частот. Если используется один капсюль, то в цепь стока другого транзистора надо включить резистор сопротивлением 100-200 Ом.
Резисторы R1 и R2 можно составить из нескольких, соединённых последовательно, или, если таковых не найдётся, использовать конденсаторы большей ёмкости.
Конденсаторы могут быть неполярные керамические, либо плёночные, например, серий КМ-5, КМ-6, К73-17. Лампы накаливания на напряжение 6В и ток до 100 мА. Вместо транзисторов указанной серии, которые рассчитаны на постоянный ток до 180 мА, можно применить более мощные ключи КР1064КТ1 или КР1014КТ1. В случае использования более мощной нагрузки, например, автомобильных ламп, следует применить другие транзисторы, например, КП744Г, рассчитанные на ток до 9А. В этом случае между затвором и истоком следует установить защитные стабилитроны на напряжение 8-10В (катодом - к затвору) - КС191Ж или аналогичные. При больших токах стока транзисторы придётся установить на теплоотводы.
Налаживание мультивибратора сводится к подбору конденсаторов для получения желаемой частоты. Для работы на звуковых частотах ёмкости должны быть в пределах 300-600 пФ. Если же оставить конденсаторы указанной на схеме ёмкости, то сопротивление резисторов придётся значительно уменьшить, вплоть до 40-50 кОм.
При использовании мультивибратора в качестве узла в разрабатываемой конструкции, между проводами питания следует включить блокировочный конденсатор 0,1-100 мкФ.
Мультивибратор работоспособен при напряжении питания 3-10В (с соответствующей нагрузкой).
Конец цитаты.

У меня нет отечественных полевых КП501А, в которых имеется встроенный стабилитрон между Истоком и Затвором. Да и нагрузкой моего мультивибратора будут автомобильные лампы.
В следующей схеме применены буржуйские МДП-транзисторы:

При указанных номиналах С и R частота мультивибратора около 1 Гц. При использовании переменных резисторов (нужен ОДИН сдвоенный!) частота регулируется в широких пределах. Если лампы заменить динамиками, а ёмкости С1 и С2 уменьшить в десятки раз, то можно получить колебания звуковой частоты.
Стабилитроны (любые на 8-10 В) служат для предотвращения пробоя транзисторов.
Если нужна только одна нагрузка, то лампу EL1, например, нужно заменить резистором на 100-500 Ом.
Транзисторы – любые аналогичные. При мощной нагрузке их надо ставить на радиаторы.
Я применю МОП-транзисторы FS10UM-5:
.
Тип транзистора: MOSFET с индуцированным каналом N-типа
Максимальная рассеиваемая мощность (Pd): 90 W
Предельно допустимое напряжение сток-исток (Uds): 250 V
Предельно допустимое напряжение затвор-исток (Ugs): 30 V
Максимально допустимый постоянный ток стока (Id): 10 A
Сопротивление сток-исток открытого транзистора (Rds): 0.4 Ohm
Тип корпуса: TO-220
Как видно из фрагмента Datasheet’а, этот транзистор не имеет встроенного стабилитрона.

Мои детальки: лампочки 12В х 5Вт, конденсаторы 1мкФ, резисторы 820к, стабилитроны Д814В:

Мультивибратор спаян "IN STEREO":

Подал напряжение непосредственно с диодного моста – загорелась EL1 и всё. Никаких пульсаций. Схема спаяна верно, обрывов, замыканий нет, все детали исправны. В чём дело? Я даже хотел заменить FS10UM-5 на К1808 и отсоединил радиаторы, но возникли мысли: 1) ежели сгладить пульсации после моста? 2) так ли уж нужны стабилитроны при напряжении питания около ±14В?
Я удалил стабилитроны и подключил параллельно ± диодного моста электролит 1000мк Х 40В:

Включил трансформатор в сеть и мультивибратор тут же заработал:

Пульсации действительно происходят с частотой ≈1 Гц.

Чтобы прояснить ситуацию, решил вернуть стабилитроны на место и тут обнаружил, что один из них был Д818В (это хорошо видно на 2-м фото), а у них, по сравнению с Д814В, анод и катод – наоборот. Надо быть внимательнее! Я впаял ОБА стабилитрона Д814Б:

Без сглаживающего конденсатора в момент включения может быть:
или
т.е. один транзистор открывается, и лампа EL2 светится ярко, а второй – частично, нить накала EL1 еле тлеет; или наоборот, это уж как повезёт.
Но мультивибратор НЕ ЗАПУСКАЕТСЯ.
Вывод: питать мультивибратор на MOSFET’ах надо от батареек, аккумуляторов или от блока питания с простейшим сглаживающим фильтром.
И тут я подумал: а может и на биролярных будет то же самое?! Но проверять не стал.
К сожалению, я не нашёл у себя сдвоенного переменника даже на 100 кОм, поэтому оперативно порегулировать частоту не получилось. Но цель опыта достигнута: мультивибратор на MOSFET’ах с индуцированным каналом N-типа РАБОТАЕТ.
Кстати, 40-минутное «моргание» лампочек никак не сказалось на температуре транзисторов, хотя они без радиаторов. Значит 5 Вт для этих транзисторов – мелочь.
И ещё одно. Я не применял никаких особых мер при пайке полевых транзисторов, но, не смотря на это, ни один из них статикой пробит не был.

3. Стабилизатор напряжения
Сначала процитирую источник, слегка подкорректировав текст (ПТ – полевой транзистор, БП – блок питания).
Начало цитаты:
В литературе неоднократно описывались различные схемы стабилизаторов к БП. В этой статье автор приводит описание аналогового стабилизатора напряжения для БП повышенной мощности. В схеме стабилизатора напряжения удалось значительно улучшить параметры, применив в качестве силового элемента мощный переключающий ПТ.
В основном, при построении сильноточных стабилизаторов напряжения, радиолюбители используют специализированные микросхемы серии 142 и аналогичные, «усиленные» одним или несколькими биполярными транзисторами. Если для этих целей применить мощный переключающий ПТ, то удастся собрать более простой сильноточный стабилизатор. Схема одного из вариантов такого стабилизатора:


В нём применен мощный ПТ IRLR2905. Хотя он и предназначен для работы в ключевом режиме, в данном стабилизаторе он используется в линейном. Транзистор имеет в открытом состоянии весьма малое сопротивление канала (0,027 Ом), обеспечивает ток до 30А при температуре корпуса до 100°С, обладает высокой крутизной и требует для управления напряжения на затворе всего 2,5...3 В. Мощность, рассеиваемая транзистором, может достигать 110 Вт. Микросхема параллельного стабилизатора напряжения КР142ЕН19 (TL431) управляет ПТ. Работает стабилизатор следующим образом. При подключении сетевого трансформатора Т1 к сети на его вторичной обмотке появляется переменное напряжение около 13 В (эффективное значение). Оно выпрямляется диодным мостом VD1, и на сглаживающем конденсаторе С1 большой емкости (обычно несколько десятков тысяч мкФ) выделяется постоянное напряжение около 16 В.
Оно поступает на сток мощного транзистора VT1 и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор. Часть выходного напряжения через делитель R2R3 подается на вход микросхемы DA1, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления «ву» микросхемы DA1 не достигнет порогового – около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе мощного транзистора, т. е. частично закрывая его, и устройство входит в режим стабилизации. Конденсатор СЗ ускоряет выход стабилизатора на рабочий режим. Значение выходного напряжения можно установить в пределах от 2,5 до 30 В подбором резистора R2, значение которого может изменяться в широких пределах. Конденсаторы С1, С2 и С4 обеспечивают устойчивую работу стабилизатора.
Для описанного варианта стабилизатора минимальное падение напряжения на регулирующем мощном транзисторе VT1 составляет 2,5...3 В, хотя потенциально этот транзистор может работать при напряжении сток-исток, близком к нулю. Обусловлен данный недостаток тем, что управляющее напряжение на затвор поступает из цепи стока, поэтому при меньшем значении падения напряжения на нём транзистор открываться не будет, ведь на затворе открытого транзистора должно быть положительное напряжение относительно истока.
Чтобы уменьшить падение напряжения на регулирующем транзисторе, цепь его затвора целесообразно питать от отдельного выпрямителя с напряжением на 5... 7 В больше, чем выходное напряжение стабилизатора. Если нет возможности сделать дополнительный выпрямитель, то в устройство можно ввести дополнительный диод и конденсатор:

Эффект от такой простой доработки может быть большим. Дело в том, что напряжение, поступающее на сток транзистора, является пульсирующим, имеет значительную переменную составляющую, которая увеличивается при увеличении потребляемого тока. Благодаря диоду VD2 и конденсатору С5 напряжение на затворе будет примерно равно пиковому значению пульсирующего, т.е. может быть на несколько вольт больше, чем среднее или минимальное. Поэтому стабилизатор оказывается работоспособным при меньшем среднем напряжении сток-исток.
Лучшие результаты удастся получить, если диод VD2 подключить к выпрямительному мосту:

 В этом случае напряжение на конденсаторе С5 увеличится, поскольку падение напряжения на диоде VD2 будет меньше, чем падение напряжения на диодах моста, особенно при максимальном токе. При необходимости плавной регулировки выходного напряжения постоянный резистор R2 следует заменить переменным или подстроечным. Значение выходного напряжения можно определить по формуле: Uвых=2,5(1+R2/R3).
Детали
В устройстве допустимо применитьлюбой подходящий транзистор. Если использовать, к примеру, IRF840, то минимальное значение управляющего напряжения на затворе будет составлять 4,5... 5В. Конденсаторы - малогабаритные танталовые, резисторы - МЛТ, С2-33, Р1-4. Диод VD2 - выпрямительный с малым падением напряжения (германиевый, диод Шоттки). Параметры трансформатора, диодного моста и конденсатора С1 выбирают исходя из необходимого выходного напряжения и тока.
Хотя транзистор и рассчитан на большие токи и большую рассеиваемую мощность, для реализации всех его возможностей необходимо обеспечить эффективный теплоотвод. Примененный транзистор предназначен для установки на радиатор с помощью пайки. В этом случае целесообразно использовать промежуточную медную пластину толщиной несколько миллиметров, к которой припаивают транзистор и на которой можно установить остальные детали.
Затем, после окончания монтажа, пластину можно разместить на радиаторе. Пайки при этом уже не требуется, поскольку пластина будет иметь большую площадь теплового контакта с радиатором.
Если применить для поверхностного монтажа микросхему DA1 типа TL431С, резисторы типа Р1-12 и соответствующие чип-конденсаторы, то их можно разместить на печатной плате:

из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Плату припаивают к выводам транзистора и приклеивают к упомянутой медной пластине клеем. В качестве такой пластины можно использовать, например, корпус с фланцем от испорченного мощного биполярного транзистора, скажем, КТ827, применив при этом навесной монтаж.
Настройка
Налаживание стабилизатора сводится к установке требуемого значения выходного напряжения. Надо обязательно проверить устройство на отсутствие самовозбуждения во всем диапазоне рабочих токов. Для этого напряжения в различных точках устройства контролируют с помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам С1, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ с выводами минимальной длины. Размещаются эти конденсаторы как можно ближе к транзистору VT1 и микросхеме DA1.
И. Нечаев
Литература:
1. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы InternationalRectifier. - Радио, 2001, №5, с. 45.
2.И. Нечаев. Необычное применение микросхемы КР142ЕН19А. - Радио, 2003, № 5, с. 53,54.
Конец цитаты.

Я буду делать стабилизатор по схеме:

Поставлю мост VD1 D5SBA60 600В/6А; диод VD2 RGP15J; транзистор VT1 K1531; DA1 (регулируемый стабилитрон) TL431C; конденсаторы С1 1000мк Х 50В, С2 здесь совершенно ни к чему, С3 4,7мк Х 50В, С4 680мк Х 35В, С5 100мк Х 30В; резисторы R1 470 Ом, R2 переменный 20к, R3 3,6к.

Детали:

Стабилизатор буду делать на плате (без макетирования) старым способом – прорезыванием изолирующих дорожек между полигонами. Преимущество этого способа при изготовлении простых плат – быстрота. И экологичность:-)) разумеется.
Эскиз платы:

Кстати нашёлся подходящий кусок двухстороннего фольгированного текстолита:

С одной стороны фольгу пришлось просто содрать:

Дорожки прорезаны:

Плата залужена:

Детали распаяны:

В качестве нагрузки использую мультивибратор. Напряжение на выходе стабилизатора минимально:

Среднее:

Максимальное:

Стабилизатор на MOSFET-транзисторе работает, причём я не подбирал транзистор по каким-то параметрам. При переменном напряжении на выходе трансформатора около 13 В диапазон регулировки Uвых стабилизатора составляет 2,6…12,5 В. Это нормально. Мой транзистор не установлен на радиатор, но это весьма желательно, поскольку пальцем ощутим его нагрев.
После установки на теплоотвод  транзистор стал чувствовать себя гораздо комфортнее:

На вход моста я подал ~30 В, что позволило повысить Uвых и регулировать его в более широком диапазоне.

4. Усилитель НЧ
Следуя принципу «от простого», я не буду пытаться собрать УНЧ на MOSFET’ах мощностью в десятки и сотни Ватт.
В сети я быстро нашёл два, подходящих для моих опытов, варианта:
1-ый по адресу: http://amplif.ru/publ/usilitel_na_polevom_tranzistore_klass_a/1-1-0-119

2-ой по адресу: https://www.youtube.com/watch?v=nhTzc8eSNRY

IRF511 у меня нет, зато в достаточном количестве имеются IRF630, и я решил попробовать 2-й вариант.

Хотя, вполне возможно, что и в 1-м варианте IRF630 тоже будет работать. Однако я не провожу тут научное исследование, а просто пробую МОСФЕТы в несложных конструкциях.
Детальки:

Транзистор IRFS630; резисторы МЛТ-1 Вт: 1,3к+1к=2,3к; 470 Ом; 1 Ом; конденсаторы 100мк Х25В, 2200мк Х 35В, 470мк Х 25В.

УНЧ распаян в пространстве (в 3D, в STEREO):

Подан ВХОДной сигнал с нетбука, ВЫХОД на отечественный динамик 10ГДШ-2 4 Ом, питание от стабилизатора на МОСФЕТе:

Усилитель работает. Звук не очень громкий (на слух 300-400 мВт), но особых искажений не слышно. Опыт успешно завершён.

Итак, простые конструкции на MOSFET'ах оказались вполне рабочими. Возможно, что несколько позже я сделаю кое-что не совсем простое, но это будет другой проект и другая история.

©SEkorp, 20 октябрь 2017