منبع جریان FET

منبع جریان FET از JFET و MOSFET برای تحویل جریان بار استفاده می کنند که علی رغم تغییر در مقاومت بار یا ولتاژ تغذیه ثابت می ماند.

منبع جریان FET نوعی مدار فعال است که از ترانزیستور Field Effect برای تأمین مقدار ثابت جریان در مدار‌استفاده‌می‌کند.

اما چرا شما یک جریان ثابت می خواهید؟ منابع جریان ثابت و غرق های جریان‌،‌(یک سینک جریان معکوس منبع جریان است) یک روش بسیار ساده برای تشکیل مدارهای بایاس یا منابع ولتاژ با مقدار ثابت جریان است‌، به عنوان مثال ، 100uA ، 1mA یا 20mA فقط با استفاده از یک واحد FET و مقاومت.

منابع جریان ثابت معمولاً در مدارهای شارژ خازن برای اهداف دقیق زمانبندی یا در برنامه های شارژ باتری قابل شارژ و همچنین مدارهای LED خطی برای هدایت رشته های LED در روشنایی ثابت استفاده می شوند.

منابع ولتاژ مقاومتی را می توان با استفاده از منابع جریان ثابت نیز تشکیل داد.

زیرا اگر ‌می‌دانید مقدار‌مقاومت و جریانی که از آن عبور می‌کند ثابت است‌، می‌توانید از‌قانون Ohm برای یافتن افت‌ولتاژ استفاده‌کنید.

با این حال ، کلید ایجاد یک منبع جریان ثابت دقیق و قابل اعتماد به استفاده از مقادیر مقاومت رسانای کم FET و همچنین مقاومت دقیق برای تبدیل جریان به ولتاژ دقیق و پایدار بستگی دارد.

ترانزیستورهای میدانی

ترانزیستورهای میدانی معمولاً برای ایجاد منبع فعلی با Junction-FET (JFET) و Metal-oxide Semiconductor MOSFET که قبلاً در برنامه های کم جریان منبع استفاده می شود ، استفاده می شوند.

در ساده ترین شکل ، JFET می تواند به عنوان یک مقاومت ولتاژ کنترل شده استفاده شود.

که در آن ولتاژ دروازه کوچکی هدایت کانال خود را کنترل می کند.

ما در آموزش خود در مورد JFET دیدیم که JFET دستگاه تخلیه کننده است و N-کانال یک دستگاه “به طور معمول روشن” است ، تا زمانی که ولتاژ گیت به منبع (VGS) به اندازه کافی منفی شود تا “خاموش” شود.

-Pکانال‌JFET که همچنین یک‌دستگاه تخلیه‌”به طور معمول روشن” است‌، نیاز به ولتاژ گیت دارد که به اندازه‌کافی مثبت‌شود تا “خاموش”‌شود.

بایاسینگ JFET چند کانال

این‎تصویر آرایش و اتصالات‌استاندارد را برای یک‌منبع مشترک پیکربندی شده‌N-channel JFET با بایاس‌طبیعی هنگام‌استفاده در ناحیه فعال آن نشان می‌دهد.

در اینجا ولتاژ منبع گیت VGS برابر با منبع تغذیه یا ولتاژ ورودی VG است که بایاس معکوس بین دروازه و منبع را تنظیم می کند ، در حالی که VDD ولتاژ تخلیه به منبع و گردش جریان را از منبع تغذیه به منبع فراهم می کند .

این جریان ورودی به ترمینال تخلیه JFET دارای برچسب ID است.

ولتاژ منبع‌تخلیه VDS افت ولتاژ جلو JFET است و تابعی از جریان تخلیه‌،‌ID برای مقادیر مختلف منبع گیت VGS است.

هنگامی که VDS در حداقل مقدار خود باشد ، کانال رسانای JFET کاملاً باز است و ID در حداکثر مقدار خود است که ID جریان اشباع تخلیه از منبع (sat) یا به سادگی IDSS نامیده می شود.

هنگامی که VDS در حداکثر مقدار خود باشد ، کانال رسانای JFET کاملاً بسته است ، (خاموش) بنابراین ID با ولتاژ تخلیه به منبع به صفر می رسد ، VDS برابر با ولتاژ منبع تخلیه VDD است.

ولتاژ گیت‌، VGS که در آن کانال JFET متوقف می‌شود‌، به عنوان ولتاژ قطع کننده گیت VGS (خاموش) نامیده می‌شود.

این آرایش مغرضانه منبع مشترک JFET کانال N ، عملکرد حالت پایدار JFET را در غیاب هرگونه سیگنال ورودی تعیین می کند ، VIN به عنوان VGS و ID مقادیر حالت پایدار هستند ، یعنی حالت ساکن JFET.

بنابراین برای یک JFET منبع مشترک‌، ولتاژ گیت منبع ولتاژ VGS کنترل می‌کند که چه مقدار جریان از طریق‌کانال رسانای JFET بین تخلیه و منبع جریان می‌یابد و JFET را به یک دستگاه کنترل‌شده ولتاژ تبدیل می‌کند زیرا ولتاژ ورودی آن جریان کانال آن را کنترل می‌کند.

در نتیجه ما می‌توانیم با ترسیم ID در مقابل VGS برای هر‌دستگاه JFET مجموعه‌ای از منحنی های مشخصه‌خروجی را ایجاد‌کنیم.

مشخصه خروجی JFET چند کانال

JFET به عنوان یک منبع جریان ثابت

سپس می توانیم ببینیم که nF کانال JFET دستگاهی کاملاً روشن است و اگر VGS به اندازه کافی منفی باشد.

کانال رسانای منبع تخلیه بسته می شود (قطع می شود) و جریان تخلیه به صفر می رسد.

برای JFET کانال n ، بسته شدن کانال رسانا بین تخلیه و منبع به دلیل گسترش منطقه تخلیه نوع p در اطراف دروازه تا زمانی که کانال را به طور کامل بسته کند ، ایجاد می شود. مناطق تخلیه نوع N کانال را برای JFET کانال p می بندند.

بنابراین با تنظیم ولتاژ منبع گیت به مقدار منفی ثابت از پیش تعیین شده ، می توانیم باعث شویم تا JFET به ترتیب بین کانال صفر و IDSS از طریق کانال خود جریان هدایت کند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

بایاسینگ ولتاژ صفر JFET

دیدیم که منحنی ویژگی های خروجی JFET یک نمودار ID در مقابل VGS برای یک VDS ثابت است.

اما همچنین متوجه شدیم که منحنی های JFET با تغییرات زیاد در VDS تغییر چندانی نمی کنند.

این پارامتر می تواند در ایجاد یک نقطه کار ثابت کانال رسانا بسیار مفید باشد.

ساده ترین منبع جریان ثابت با اتصال کوتاه ترمینال دروازه JEFT به ترمینال منبع آن همانطور

که نشان داده شده است ، کانال رسانای JFET باز است بنابراین جریان جریان از طریق آن

نزدیک به حداکثر مقدار IDSS خود خواهد بود زیرا JFET در جریان اشباع شده آن کار می کند

منطقه با این حال ، عملکرد و عملکرد چنین پیکربندی جریان ثابت نسبتاً ضعیفی است زیرا JFET

کاملاً بسته به نوع دستگاه در حال انجام کامل با مقدار جریان IDSS است.

به عنوان مثال ، سری های JNET 2N36xx یا 2N43xx n کانال فقط چند آمپر آمپر (mA) است.

در حالی که سری کانال های بزرگتر N1 کانال J1xx یا PN4xxx می تواند چندین ده آمپر میلی آمپر باشد.

همچنین توجه داشته باشید که IDSS بین دستگاههایی با همان شماره قطعه که تولیدکنندگان

در برگه‌های داده خود نقل قول می‌کنند‌، مقدار حداقل و حداکثر این جریان تخلیه‌ولتاژ گیت صفر‌، IDSS متفاوت خواهد بود.

نکته دیگری که باید به آن توجه شود این است که:

FET در واقع یک مقاومت ولتاژ کنترل شده است که کانال رسانای آن دارای مقاومت در سری با پایانه های تخلیه و منبع می باشد. این مقاومت کانال RDS نام دارد. همانطور که دیدیم ، هنگامی که VGS = 0 ، حداکثر جریان تخلیه به منبع جریان می یابد ، بنابراین مقاومت کانال JFET ، RDS باید در حداقل باشد و این درست است.

با این حال ، مقاومت کانال کاملاً صفر نیست بلکه در مقداری از اهم اهمی که توسط هندسه ساخت FET تعریف شده است و می تواند به اندازه 50 اهم باشد. هنگامی که FET در حال انجام است ، این مقاومت کانال معمولاً با نام RDS (ON) شناخته می شود و در هنگام مقاومت VGS = 0 در حداقل مقاومت است. بنابراین مقدار RDS (ON) بالا منجر به IDSS کم و بالعکس می شود.

بنابراین یک JFET می تواند تعصب داشته باشد تا به عنوان یک منبع منبع جریان ثابت در هر مقدار جریان پایین تر از جریان اشباع خود ، IDSS کار کند وقتی VGS برابر با صفر ولت باشد. وقتی VGS در سطح ولتاژ قطع VGS (خاموش) باشد ، با بسته شدن کانال ، جریان تخلیه صفر وجود خواهد داشت (ID = 0). بنابراین کانالها جریان را تخلیه می کنند ، ID تا زمانی که دستگاه JFET در منطقه فعال خود کار کند همانطور که نشان داده شده است همیشه جریان می یابد.

منحنی انتقال JFET

توجه داشته باشید که برای یک JFET کانال P ، ولتاژ قطع VGS (خاموش) ولتاژ مثبتی خواهد بود اما جریان اشباع آن ، IDSS حاصل از برابر شدن VGS با صفر ولت همانند یک دستگاه N کانال خواهد بود.

همچنین توجه‌داشته‌باشید که منحنی انتقال غیر‌خطی است زیرا با نزدیک‌شدن VGS به صفر ولت جریان‌تخلیه از‌طریق کانال بازشو سریعتر افزایش‌می‌یابد.

بایاس ولتاژ منفی JFET

ما به یاد می آوریم که JFET یک دستگاه حالت تخلیه است که همیشه “روشن” است.

بنابراین برای ولتاژ گیت‌منفی برای‌NF کانال N و یک ولتاژ گیت‌مثبت برای کانال P JFET برای خاموش کردن آنها نیاز‌دارد.

تعصب JFET کانال N با ولتاژ مثبت ، یا تعصب JFET کانال P با ولتاژ منفی ، کانال رسانایی را مجبور می کند جریان کانال را مجبور کند ، ID فراتر از IDSS.

اما اگر از منحنی های مشخصه ID در برابر VGS استفاده کنیم ، می توانیم VGS را در برخی از ولتاژهای منفی تنظیم کنیم ، مثلاً -1 ولت ، -2 ولت یا -3 ولت نیز یک منبع جریان ثابت JFET ثابت ایجاد کنیم از هر سطح فعلی که بین صفر و IDSS نیاز داریم.

اما برای یک منبع جریان دقیق دقیق تر با تنظیم بهتر ، بهتر است JFET را در حدود 10٪ تا 50٪ از حداکثر مقدار IDSS آن تعصب کنید.

این امر همچنین به‌تلفات توان I2 * R از‌طریق کانال مقاومت کمک می‌کند و بنابراین باعث کاهش اثر گرمایش می‌شود.

بنابراین می توانیم ببینیم که با سوگیری یک ترمینال گیت JFET با مقداری مقدار ولتاژ منفی یا ولتاژ مثبت برای JFET کانال P ، می توان نقطه کارکرد آن را تعیین کرد که به کانال امکان هدایت و عبور مقدار مشخصی از جریان تخلیه ، ID را می دهد.

برای مقادیر مختلف VGS ، یک شناسه جریان تخلیه JFET می تواند به صورت ریاضی بیان شود:

معادله جریان JFET تخلیه

مثال شماره 1 منبع جریان ثابت fet

صفحه داده سازندگان برای JFET تغییر کانال N109 نشان می دهد که دارای IDSS 40mA هنگام VGS = 0 و حداکثر مقدار VGS (خاموش) -6.0 ولت است.

با استفاده از این مقادیر اعلام شده‌:

مقدار‌جریان تخلیه‌JFET را هنگام‌،‌VGS = 0 ، VGS = -2 ولت و هنگامی که VGS = -5 ولت محاسبه‌کنید.

همچنین منحنی مشخصه انتقال J109 را نشان دهید.

• وقتی VGS = 0V

هنگامی که VGS = 0V کانال رسانا باز باشد و حداکثر جریان تخلیه جریان داشته باشد.

بنابراین ID = IDSS = 40mA.

• وقتی VGS = -2V

• هنگامی که VGS = -5V است

• منحنی مشخصه انتقال J109

بنابراین می توانیم ببینیم که ولتاژ منبع گیت ، VGS به ولتاژ قطع منبع گیت نزدیک می شود ، VGS (خاموش) جریان تخلیه ، ID کاهش می یابد.

در این مثال ساده ، ما جریان تخلیه را در دو نقطه محاسبه کردیم.

اما محاسبه با استفاده از مقادیر اضافی VGS بین صفر و برش‌، شکل دقیق‌تری از منحنی به ما می دهد.

منبع جریان JFET

JFET می تواند ساخته شود تا به عنوان منبع جریان ثابت ولتاژ کنترل شود ، هر زمان که اتصال منبع گیت آن مغرضانه معکوس باشد ، و برای دستگاه N-channel ما به -VGS و برای دستگاه P-channel به + VGS نیاز داریم. مسئله اینجاست که JFET به دو منبع تغذیه ولتاژ جداگانه احتیاج دارد ، یکی برای VDD و دیگری برای VGS. اما اگر ما یک مقاومت بین منبع و زمین (0 ولت) قرار دهیم ، می توانیم به آرایش VGS لازم برای خود مغرضانه دست یابیم تا JFET فقط با استفاده از ولتاژ تغذیه VDD به عنوان منبع جریان ثابت کار کند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

منبع جریان‌JFET

در نگاه اول ممکن است فکر کنید که این پیکربندی بسیار شبیه به مدار تخلیه مشترک JFET

(پیروی کننده منبع) است که در آموزش JFET دیدیم. اما تفاوت این زمان این است که در

حالی که ترمینال گیت FET هنوز مستقیماً به زمین متصل است (VG = 0) ، به دلیل افت ولتاژ

روی مقاومت منبع ، RS ، ترمینال منبع در برخی از سطح ولتاژها از سطح ولتاژ صفر است.

بنابراین با جریان‌کانال از طریق‌مقاومت منبع‌خارجی‌، ولتاژ گیت به منبع‌ولتاژ JFET کمتر از (منفی تر) صفر (VGS <0) خواهد بود.

مقاومت منبع خارجی ، RS ولتاژ بازخوردی را فراهم می کند که برای خود سوگیری پایانه دروازه

JFET استفاده می شود و جریان تخلیه را از طریق کانال ثابت نگه می دارد ، با وجود تغییر ولتاژ

منبع تخلیه بنابراین تنها منبع ولتاژ مورد نیاز ما ولتاژ تغذیه VDD برای تأمین جریان تخلیه و انحراف است.

بنابراین JFET با استفاده از افت ولتاژ در برابر مقاومت منبع (VRS) ولتاژ بایاس گیت VGS و در نتیجه جریان کانال را همانطور که در بالا مشاهده کردیم تنظیم می کند.

بنابراین ، افزایش مقدار مقاومت RS باعث کاهش ID جریان تخلیه کانال ها و بالعکس می شود.

اما اگر بخواهیم یک‌مدار منبع‌جریان ثابت JFET بسازیم‌، مقدار مناسبی برای این مقاومت‌منبع خارجی‌، RS ،‌ چه مقدار خواهد بود.

داده های تولیدکنندگان برای یک کانال N خاص JFET مقادیر VGS (خاموش) و IDSS را به ما می دهند.

با دانستن مقادیر این دو پارامتر ، می توانیم معادله JFET فوق را برای جریان تخلیه ، ID جابجا

کنیم تا‌مقدار VGS را برای هر مقدار‌داده‌شده جریان تخلیه‌، ID بین صفر و IDSS پیدا کنیم همانطور که نشان داده‌شده‌است.

معادله ولتاژ دروازه به منبع‌JFET

با یافتن ولتاژ گیت به منبع مورد نیاز برای یک جریان تخلیه مشخص ، مقدار مقدار رزین کننده بایاس جهت منبع مورد نیاز با استفاده از قانون Ohm به عنوان R = V / I پیدا می شود. بدین ترتیب:

معادله مقاومت منبع‌JFET

مثال شماره 2 منبع جریان ثابت fet

استفاده از‌دستگاه‌JFET J109 N کانال از بالا که‌دارای IDSS 40mA هنگام VGS = 0 و حداکثر مقدار‌VGS (خاموش) -6.0 ولت‌است.

مقدار مقاومت منبع خارجی مورد نیاز برای تولید جریان کانال ثابت 20mA و دوباره برای جریان ثابت 5mA را محاسبه‌کنید.

• VGS برای شناسه = 20Ma

• VGS برای ID = 5mA

بنابراین وقتی VGS (خاموش) و IDSS هر دو شناخته شده باشند ، می توانیم از معادلات فوق

برای یافتن مقاومت منبع مورد نیاز جهت انحراف ولتاژ گیت برای یک جریان تخلیه خاص استفاده

کنیم و در مثال ساده ما این 87.5Ω در 20 میلی آمپر و 776Ω در 5 میلی آمپر بنابراین افزودن یک مقاومت منبع خارجی امکان تنظیم خروجی منبع فعلی را فراهم می کند.

اگر بخواهیم مقاومت های ثابت را با پتانسیومتر جایگزین کنیم‌، می توانیم منبع جریان ثابت JFET را کاملاً قابل تنظیم‌کنیم.

به عنوان مثال‌، ما می‌توانیم دو مقاومت منبع را در مثال بالا با یک پتانسیومتر 1kΩ یا موبر جایگزین کنیم.

علاوه بر اینکه کاملاً قابل تنظیم است‌،‌این مدارهای منبع‌جریان ثابت‌JFET جریان تخلیه را ثابت نگه می‌دارند حتی با تغییر در‌VDS.

مثال شماره 3 منبع جریان ثابت fet

یک JFET کانال N برای تغییر روشنایی یک‌بار‌LED قرمز دور 5 میلی‌متری بین 8 میلی‌آمپر و 15 میلی‌آمپر لازم است.

اگر مدار منبع جریان ثابت JFET از یک منبع تغذیه 12 ولت تغذیه می شود.

مقاومت منبع JFET مورد نیاز برای روشن کردن LED بین حداقل و حداکثر روشنایی را محاسبه کنید.

هنگامی که JFET سوئیچینگ دارای‌حداکثر‌مقدار VGS‌(خاموش) -4.0 ولت و IDSS باشد از‌20mA هنگام VGS = 0. نمودار مدار را رسم‌کنید.

• VGS برای شناسه = 8mA 1) VGS برای شناسه = 8mA

• VGS برای شناسه = 15mA

سپس ما به یک پتانسیومتر خارجی نیاز داریم که بتواند مقاومت آن را بین 67Ω و 184Ω تغییر دهد.

نزدیکترین مقدار پتانسیومتر ترجیحی 200Ω خواهد بود.

منبع جریان‌JFET قابل تنظیم

پتانسیومتر یا اصلاح کننده مورد استفاده برای مقاومت در برابر منبع ، RS به ما امکان می دهد تا جریان جریان یافته از کانال رسانای JFET را تغییر داده یا تنظیم کنیم.

با این حال ، برای اطمینان از تنظیم جریان مناسب از طریق دستگاه FET و بنابراین یک جریان پایدار ، بهتر است حداکثر جریان جریان کانال از طریق LED (15 میلی آمپر در این مثال) را به 10 تا 50 درصد مقدار JFETs IDSS محدود کنیم.

ایجاد منابع جریان ثابت با استفاده از MOSFET امکان کانالهای بسیار بیشتر و تنظیم جریان بهتر را فراهم می کند.

برخلاف JFET که فقط بصورت دستگاههای حالت تخلیه معمول وجود دارد.

MOSFET هم در‌حالت تخلیه (به طور معمول روشن) و هم در‌حالت بهبود موجود است ( به طور معمول خاموش است).

دستگاه ها به عنوان نوع P-channel یا N-channel امکان طیف بیشتری از گزینه های منبع فعلی را دارند.

FET خلاصه منبع فعلی ثابت

ما در این آموزش در مورد منبع ثابت جریان FET دیده ایم که با توجه به ویژگی های مقاومت کانال ، از ترانزیستورهای اثر میدانی می توان برای تأمین جریان ثابت بار استفاده کرد

و برنامه های زیادی را در مدارهای الکترونیکی که برای تأمین جریان ثابت مورد نیاز است ، پیدا کرد.

به یک بار متصل مدارهای جریان ثابت را می توان با استفاده از حالت تخلیه FET و همچنین با استفاده از BJT (ترانزیستورهای اتصال دو قطبی) یا ترکیبی از این دو دستگاه ساخت.

به یاد‌داشته‌باشید که JFET یک دستگاه با ولتاژ کنترل شده است‌، نه یک‌دستگاه با کنترل جریان مانند ترانزیستور اتصال دو‌قطبی.

یکی از ویژگیهای‌اصلی یک ترانزیستور‌Junction Field Effect Transistor یا JFET این‌است که چون دستگاه تخلیه‌است کانال هدایت ‌آن همیشه باز‌است.

بنابراین برای خاموش کردن آن به ولتاژ ورودی به منبع VGS نیاز دارد. ولتاژ VGS (خاموش)

مورد نیاز برای یک JFET کانال N از 0 ولت برای هدایت کامل کانال تا مقداری مقدار منفی ،

معمولاً چندین ولت ، برای خاموش کردن JFET به طور کامل خاموش و بسته شدن کانال ، متغیر است.

بنابراین با اتصال بایگانی به ترمینال گیت در مقداری از مقدار ثابت بین صفر و VGS (خاموش)

، می‌توانیم عرض لایه‌های تخلیه کانال و بنابراین مقدار مقاومت آن را کنترل کرده و مقدار ثابت و ثابت جریان را عبور‌دهیم.

برای یک JFET کانال P‌، مقدار VGS (خاموش) آن از 0 ولت برای هدایت کانال کامل تا مقداری مقدار مثبت چند ولت برای یک مقدار خاص VDS متغیر است.

تنظیم و تحمل جریان ثابت برای یک دستگاه JFET داده شده مربوط به میزان جریان تخلیه‌، ID عبور از کانال‌است.

هرچه جریان تخلیه از طریق یک دهانه خاص کمتر باشد ، تنظیمات آن بهتر است.

تعصب به JFET در حدود 10٪ تا 50٪ حداکثر مقدار IDSS آن باعث تنظیم و عملکرد دستگاه می شود.

این با اتصال یک مقاومت خارجی بین پایانه های منبع و دروازه حاصل می شود.

همانطور که در بالا نشان داده‌شده‌است‌، یک مقاومت بازخورد از دروازه به منبع ، خود-تعصب ضروری JFET را فراهم می‌کند.

که به آن اجازه می‌دهد تا به‌عنوان منبع‌جریان ثابت در هر‌سطح فعلی بسیار کمتر از جریان‌اشباع خود ، IDSS عمل‌کند.

این مقاومت منبع خارجی‌، RS می تواند از یک مقاومت مقاومتی ثابت یا متغیر با استفاده از یک پتانسیومتر استفاده‌کند.