v tomto tutoriálu se dozvíme o fungování MOSFETu jako přepínače. V tutoriálu MOSFET jsme viděli základy MOSFETu, jeho typy, strukturu a několik aplikací MOSFETu.
jednou z důležitých aplikací MOSFETu v oblasti výkonové elektroniky je, že může být konfigurován jako jednoduchý analogový spínač. Pomocí takových analogových spínačů mohou Digitální systémy řídit tok signálů v analogových obvodech.
Než půjdete do detailů, jak se MOSFET chová jako přepínač, dovolte mi, abych vás prostřednictvím rekapitulace základů MOSFET, jeho fungování regionů, vnitřní strukturou atd.
pro více informací o MOSFET, přečtěte si „MOSFET Tutorial“.
Outline
Úvod do MOSFET
MOSFET nebo Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, na rozdíl od Bipolárního Tranzistoru (BJT) Unipolární Zařízení v tom smyslu, že používá pouze většina dopravců ve vedení.
To je typ field effect tranzistor s izolovanou bránou z kanálu (proto se někdy nazývá jako Insulated Gate FET nebo IGFET) a napětí na bráně terminálu určuje vodivost.
když už Mluvíme o terminály, MOSFET je obvykle 3 koncové zařízení, které jsou Gate (G), Source (S) a Drain (D) (i když tam je 4. terminál nazývá Substrát nebo Tělo, to je obvykle ne použitý v buď vstupní nebo výstupní připojení).
MOSFET Symbol
MOSFET mohou být klasifikovány do Vylepšení typu MOSFET a Vyčerpání typu MOSFET. Každý z těchto typů se dále dělí na n-kanálový MOSFET a p-kanálový MOSFET.
symboly pro každý z těchto typů MOSFETů jsou zobrazeny na obrázku níže.
hlavní rozdíl mezi Vylepšení Režimu MOSFET a Vyčerpání Režimu MOSFET je, že při vyčerpání režim, kanál je již vytvořen, tj. chová se jako Normálně Zavřený (NC) spínač a v případě vylepšení, režim, kanál není vytvořen původně, tj. Normálně Otevřený (NO) spínače.
MOSFET Struktura
struktura MOSFET se liší v závislosti na aplikaci, tj. Mosfety v IC technologie jsou poměrně boční zatímco struktura Power Mosfetů je více vertikální kanál. Bez ohledu na aplikaci má MOSFET v podstatě tři terminály, jmenovitě bránu, odtok a zdroj.
pokud vezmeme v úvahu n-kanálový MOSFET, zdroj i odtok jsou tvořeny n-typem, který sedí v substrátu typu p.
práce MOSFETu
zkusme nyní pochopit, jak funguje režim vylepšení n-kanálu MOSFET. Aby bylo možné přenášet vypouštěcí proud, měl by existovat kanál mezi odtokovými a zdrojovými oblastmi MOSFETu.
kanál je vytvořen, když napětí mezi gate a source svorkami VGS je větší než prahové napětí VTH.
Když VGS > VTH, zařízení je řekl, aby byl v trioda (nebo konstantní odpor) region nebo nasycení regionu v závislosti na napětí mezi drain a source svorkami VDS.
Pro všechny VGS, pokud VDS < VGS – VTH, pak je zařízení v trioda regionu (také známý jako konstantní odpor, nebo lineární oblasti). Pokud VDS > VGS-VTH, pak zařízení vstoupí do oblasti saturace.
Když VGS < VTH, pak je zařízení ve vypnutém stavu. Proud brány v obou oblastech provozu je velmi menší (téměř rovný nule). Proto je MOSFET známý jako napěťově řízené zařízení.
křivka charakteristik MOSFETu
níže uvedený obrázek ukazuje charakteristickou křivku MOSFETu ve třech oblastech provozu. Zobrazuje ID vypouštěcího proudu versus VDS odtoku ke zdrojovému napětí pro danou bránu ke zdrojovému napětí VGS.
MOSFET Regionů Provozu
na Základě výše uvedených pracovních MOSFET, lze dojít k závěru, že MOSFET má tři regiony provozu. Jsou to:
- Cut-off Regionu
- Lineární (nebo Trioda) Regionu
- Sytost Regionu
MOSFET pracuje v cut-off oblasti při VGS < VTH. V této oblasti je MOSFET ve vypnutém stavu, protože mezi odtokem a zdrojem není indukován žádný kanál.
pro indukovaný kanál a MOSFET pro provoz v lineární nebo saturační oblasti, VGS > VTH.
VGD určí, zda je MOSFET v lineární nebo saturační oblasti. V obou těchto oblastech je MOSFET v zapnutém stavu, ale rozdíl je v lineární oblasti, kanál je spojitý a vypouštěcí proud je úměrný odporu kanálu.
Přichází k nasycení regionu, jako VDS > VGS – VTH, kanál špetky off, tj. rozšiřuje, což má za následek konstantní Odtok Proudu.
spínání v elektronice
polovodičové spínání v elektronickém obvodu je jedním z důležitých aspektů. Polovodičové zařízení jako BJT nebo MOSFET jsou obecně provozovány jako spínače, tj. jsou buď v zapnutém stavu nebo ve vypnutém stavu.
Ideální Spínače Charakteristika
Pro polovodičové zařízení, jako MOSFET jednat jako ideální spínač, musí mít následující vlastnosti:
- Během státní, neměl by tam být žádný limit na množství proudu, které může nést.
- ve vypnutém stavu by nemělo být omezeno blokovací napětí.
- když je zařízení v zapnutém stavu, mělo by dojít k nulovému poklesu napětí.
- OFF stavový odpor by měl být nekonečný.
- provozní rychlost zařízení nemá žádné omezení.
Praktický Přepínač Charakteristika
Ale Svět není ideální a je použitelný i pro naše polovodičové spínače. V praktické situaci má polovodičové zařízení jako MOSFET následující vlastnosti.
- během zapnutého stavu jsou možnosti manipulace s výkonem omezené, tj. omezený vodivý proud. Blokovací napětí během vypnutého stavu je také omezené.
- konečné časy zapnutí a vypnutí, které omezují rychlost přepínání. Maximální provozní frekvence je také omezena.
- Když je zařízení ZAPNUTO, bude omezené na státní odpor, což vpřed pokles napětí. K dispozici bude také konečný odpor mimo stav, který má za následek zpětný svodový proud.
- praktickým vypínačem dochází ke ztrátě napájení během zapnutého stavu, vypnutého stavu a také během přechodového stavu (zapnuto do vypnuto nebo Vypnuto do zapnuto).
Pracovní MOSFET jako Spínač
Pokud jste pochopili, pracovní MOSFET a jeho regionů provozu, by jste asi uhodli, jak MOSFET pracuje jako spínač. Budeme rozumět fungování MOSFETu jako spínače zvážením jednoduchého příkladu obvodu.
Jedná se o jednoduchý obvod, kde režim vylepšení N-kanálu MOSFET zapne nebo vypne světlo. Aby MOSFET mohl fungovat jako spínač, musí být provozován v mezní a lineární (nebo triodové) oblasti.
Předpokládejme, že zařízení je zpočátku vypnuté. Napětí mezi Gate a Source tj. VGS je vhodně pozitivní (technicky vzato, VGS > VTH), MOSFET vstupuje do lineární oblasti a přepínač je NA. Tím se rozsvítí světlo.
Pokud je vstupní Brána napětí je 0V (nebo technicky < VTH), MOSFET vstupuje cut-off stavu a vypne se. To zase způsobí, že se světlo vypne.
příklad MOSFETu jako přepínače
zvažte situaci, kdy chcete digitálně ovládat 12W LED (12V @ 1A) pomocí mikrokontroléru. Když stisknete tlačítko připojené k mikrokontroléru, LED by se měla zapnout. Když znovu stisknete stejné tlačítko, LED by se měla vypnout.
je zřejmé, že pomocí mikrokontroléru nemůžete LED přímo ovládat. Potřebujete zařízení, které překlenuje mezeru mezi mikrokontrolérem a LED.
Toto zařízení by mělo vzít v řídicí signál z mikrokontroléru (obvykle napětí tohoto signálu je v pracovní rozsah napětí mikrokontroléru, napětí 5V pro příklad) a napájení LED, který je v tomto případě z 12V.
zařízení, které budu používat, je MOSFET. Nastavení výše uvedeného scénáře je uvedeno v následujícím obvodu.
Při Logické 1 (za předpokladu, že Mikrokontrolér 5V, Logická 1 je + 5V a Logické 0 je 0V) je dodáván k bráně MOSFETU, to se změní NA a umožní odtok proudu. V důsledku toho se LED rozsvítí.
podobně, když je bráně MOSFETu dána logika 0, vypne se a vypne LED.
můžete tedy digitálně ovládat zařízení s vysokým výkonem kombinací mikrokontroléru a MOSFETu.
Důležitá poznámka
důležitým faktorem, který je třeba zvážit, je ztráta výkonu MOSFET. Zvažte MOSFET s odporem odtoku ke zdroji 0,1 Ω. Ve výše uvedeném případě, tj. 12W LED poháněn 12V povede k odtoku proud 1A.
Proto je energie rozptýlena na MOSFET je P = I2 * R = 1 * 0.1 = 0.1 W.
To se zdá být nízká hodnota, ale pokud se budete řídit motor pomocí stejné MOSFET, situace je mírně odlišná. Startovací proud (nazývaný také jako proud ve spěchu) motoru bude velmi vysoký.
Takže, dokonce i s RDS 0,1 Ω, energie, rozptýlená v průběhu start-up motor bude stále značně vysoká, což může vést k tepelnému přetížení. Proto bude RDS klíčovým parametrem pro výběr MOSFETu pro vaši aplikaci.
také při řízení motoru je zadní emf důležitým faktorem, který je třeba vzít v úvahu při navrhování obvodu.
jednou z hlavních výhod řízení motoru s MOSFET je, že vstupní signál PWM lze použít k plynulému řízení rychlosti motoru.