MOSFET als Schalter

In diesem Tutorial erfahren Sie mehr über die Funktionsweise eines MOSFETs als Schalter. Im MOSFET-Tutorial haben wir die Grundlagen eines MOSFET, seine Typen, Struktur und einige Anwendungen von MOSFET gesehen.

Eine der wichtigsten Anwendungen von MOSFET im Bereich der Leistungselektronik ist, dass er als einfacher Analogschalter konfiguriert werden kann. Mit Hilfe solcher Analogschalter können digitale Systeme den Signalfluss in analogen Schaltungen steuern.

Bevor ich auf die Details eingehe, wie ein MOSFET als Schalter fungiert, möchte ich Sie durch eine Zusammenfassung der Grundlagen eines MOSFETS, seiner Betriebsbereiche, seiner internen Struktur usw. führen.

Weitere Informationen zu MOSFETs finden Sie unter „MOSFET Tutorial“.

Einführung in MOSFET

Ein MOSFET- oder Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor ist im Gegensatz zu einem Bipolar Junction Transistor (BJT) ein unipolares Bauelement in dem Sinne, dass es nur die Majoritätsträger in der Leitung verwendet.Es ist eine Art Feldeffekttransistor mit einem isolierten Gate vom Kanal (daher manchmal als isolierter Gate-FET oder IGFET bezeichnet) und die Spannung am Gate-Anschluss bestimmt die Leitfähigkeit.

Apropos Anschlüsse: Ein MOSFET ist typischerweise ein 3-Anschlussgerät, das Gate (G), Source (S) und Drain (D) ist (obwohl es einen 4. Anschluss gibt, der Substrat oder Körper genannt wird, wird er normalerweise weder in der Eingangs- noch in der Ausgangsverbindung verwendet).

MOSFET Symbol

MOSFET können klassifiziert werden in Verbesserung typ MOSFET und Verarmung typ MOSFET. Jeder dieser Typen ist weiter unterteilt in n-Kanal-MOSFET und p-Kanal-MOSFET.

Die Symbole für jeden dieser MOSFET-Typen sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Der Hauptunterschied zwischen Enhancement Mode MOSFET und Depletion Mode MOSFET besteht darin, dass im Depletion Mode der Kanal bereits gebildet ist, d.h. er wirkt als normal geschlossener (NC) Schalter und im Falle des Enhancement Mode wird der Kanal zunächst nicht gebildet, d.h. ein normalerweise offener (NO) Schalter.

MOSFET-Struktur

Die Struktur eines MOSFETs variiert je nach Anwendung, dh MOSFETs in der IC-Technologie sind ziemlich lateral, während die Struktur von Leistungs-MOSFETs eher ein vertikaler Kanal ist. Unabhängig von der Anwendung hat ein MOSFET grundsätzlich drei Anschlüsse, nämlich Gate, Drain und Source.

Wenn wir einen n-Kanal-MOSFET betrachten, bestehen sowohl Source als auch Drain aus n-Typen, die in einem p-Substrat sitzen.

Funktionsweise eines MOSFETS

Versuchen wir nun zu verstehen, wie ein n-Kanal-Erweiterungsmodus-MOSFET funktioniert. Um einen Drainstrom zu führen, sollte zwischen dem Drain- und dem Source-Bereich des MOSFETS ein Kanal vorhanden sein.

Ein Kanal entsteht, wenn die Spannung zwischen Gate- und Source-Anschlüssen VGS größer als die Schwellenspannung VTH ist.

Wenn VGS > VTH, soll sich das Gerät in Abhängigkeit von der Spannung an den Drain- und Source-Anschlüssen VDS im Trioden- (oder Konstantwiderstands-) Bereich oder Sättigungsbereich befinden.

Für jede VGS, wenn VDS < VGS–VTH, dann die gerät ist in triode region (auch bekannt als konstante widerstand oder linear region). Wenn VDS > VGS – VTH, tritt das Gerät in den Sättigungsbereich ein.

Wenn VGS < VTH, dann ist das Gerät im Aus-Zustand. Der Gate-Strom ist in beiden Betriebsbereichen sehr gering (fast gleich Null). Daher ist MOSFET als spannungsgesteuertes Gerät bekannt.

MOSFET-Kennlinie

Das Bild unten zeigt die Kennlinie des MOSFET in drei Betriebsbereichen. Es zeigt den Drainstrom ID gegenüber der Drain-Source-Spannung VDS für eine gegebene Gate-Source-Spannung VGS.

MOSFET Regionen von Betrieb

Basierend auf die oben genannten arbeits von einem MOSFET, es kann geschlossen werden, dass ein MOSFET hat drei regionen von betrieb. Sie sind:

• Cut-off-Bereich
• Linearer (oder Trioden-) Bereich
• Sättigungsbereich

Ein MOSFET arbeitet im Cut-off-Bereich, wenn VGS < VTH. In diesem Bereich befindet sich der MOSFET im ausgeschalteten Zustand, da zwischen Drain und Source kein Kanal induziert wird.

Damit der Kanal induziert wird und der MOSFET entweder im linearen oder im Sättigungsbereich arbeitet, VGS > VTH.

Die Gate – Drain-Vorspannung VGD bestimmt, ob sich der MOSFET im linearen oder im Sättigungsbereich befindet. In diesen beiden Bereichen befindet sich der MOSFET im eingeschalteten Zustand, aber die Differenz liegt im linearen Bereich, der Kanal ist kontinuierlich und der Drainstrom ist proportional zum Widerstand des Kanals.

In den Sättigungsbereich kommend, als VDS > VGS – VTH, kneift der Kanal ab, d. H. verbreitert sich, was zu einem konstanten Drainstrom führt.

Schalten in der Elektronik

Halbleiterschalten in der elektronischen Schaltung ist einer der wichtigen Aspekte. Ein Halbleiterbauelement wie ein BJT oder ein MOSFET werden im Allgemeinen als Schalter betrieben, d.h. sie befinden sich entweder im EIN-Zustand oder im AUS-Zustand.

Ideale Schaltereigenschaften

Damit ein Halbleiterbauelement wie ein MOSFET als idealer Schalter fungieren kann, muss es die folgenden Merkmale aufweisen:

• Im eingeschalteten Zustand sollte die Strommenge, die es tragen kann, nicht begrenzt sein.
• Im ausgeschalteten Zustand sollte die Sperrspannung nicht begrenzt sein.
• Wenn das gerät ist in AUF zustand, es sollte null spannung drop.
• Der Widerstand im ausgeschalteten Zustand sollte unendlich sein.
• Die Betriebsgeschwindigkeit des Geräts ist unbegrenzt.

Praktische Schaltereigenschaften

Aber die Welt ist nicht ideal und gilt sogar für unsere Halbleiterschalter. In einer praktischen Situation weist ein Halbleiterbauelement wie ein MOSFET die folgenden Eigenschaften auf.

• Im EIN-Zustand ist die Belastbarkeit begrenzt, d.h. begrenzte leitung strom. Die Sperrspannung im ausgeschalteten Zustand ist ebenfalls begrenzt.
• Endliche Ein- und Ausschaltzeiten, die die Schaltgeschwindigkeit begrenzen. Die maximale Betriebsfrequenz ist ebenfalls begrenzt.
• Wenn das Gerät EINGESCHALTET ist, gibt es einen endlichen Einschaltwiderstand, der zu einem Durchlassspannungsabfall führt. Es wird auch einen endlichen Aus-Zustand-Widerstand geben, der zu einem umgekehrten Leckstrom führt.
• Ein praktischer Schalter erfährt Leistungsverluste im Ein-, Aus- und auch im Übergangszustand (ein zu aus oder aus zu ein).

Funktionsweise eines MOSFETs als Schalter

Wenn Sie die Funktionsweise des MOSFETs und seine Funktionsweise verstanden hätten, hätten Sie wahrscheinlich erraten, wie ein MOSFET als Schalter funktioniert. Wir werden den Betrieb eines MOSFETS als Schalter verstehen, indem wir eine einfache Beispielschaltung betrachten.

Dies ist eine einfache Schaltung, bei der ein n-Kanal-Erweiterungsmodus-MOSFET ein Licht ein- oder ausschaltet. Um einen MOSFET als Schalter zu betreiben, muss er im Cut-Off- und Linear- (oder Trioden-)Bereich betrieben werden.

Angenommen, das Gerät ist zunächst AUSGESCHALTET. Die Spannung über Gate und Source, dh VGS, wird entsprechend positiv gemacht (technisch gesehen VGS > VTH), der MOSFET tritt in den linearen Bereich ein und der Schalter ist EINGESCHALTET. Dies macht das Licht zu drehen AUF.

Wenn die eingang Gate spannung ist 0 V (oder technisch < VTH), die MOSFET tritt cut-off-zustand und schaltet sich aus. Dies wiederum wird das Licht ausschalten.

Beispiel für einen MOSFET als Schalter

Stellen Sie sich eine Situation vor, in der Sie eine 12-W-LED (12 V @ 1 A) mithilfe eines Mikrocontrollers digital steuern möchten. Wenn Sie eine an den Mikrocontroller angeschlossene Taste drücken, sollte die LED leuchten. Wenn Sie dieselbe Taste erneut drücken, sollte sich die LED ausschalten.

Es ist offensichtlich, dass Sie die LED nicht direkt mit Hilfe des Mikrocontrollers steuern können. Sie benötigen ein Gerät, das die Lücke zwischen dem Mikrocontroller und der LED schließt.

Dieses Gerät sollte ein Steuersignal vom Mikrocontroller aufnehmen (normalerweise liegt die Spannung dieses Signals im Arbeitsspannungsbereich des Mikrocontrollers, z. B. 5 V) und die LED mit Strom versorgen, die in diesem Fall von einer 12-V-Versorgung stammt.

Das Gerät, das ich verwenden werde, ist ein MOSFET. Der Aufbau des oben genannten Szenarios ist in der folgenden Schaltung dargestellt.

Wenn eine Logik 1 (unter der annahme einer 5 V Mikrocontroller, Logic 1 ist 5 V und Logic 0 ist 0 V) ist geliefert zu die tor der MOSFET, es schaltet sich EIN und ermöglicht drain strom zu fließen. Als Ergebnis wird die LED eingeschaltet.

Wenn dem Gate des MOSFETS eine logische 0 gegeben wird, schaltet es sich AUS und schaltet wiederum die LED aus.

Somit können Sie ein Hochleistungsgerät mit der Kombination aus Mikrocontroller und MOSFET digital steuern.

Wichtiger Hinweis

Ein wichtiger zu berücksichtigender Faktor ist die Verlustleistung des MOSFETs. Betrachten Sie einen MOSFET mit einem Drain-Source-Widerstand von 0,1 Ω. Im obigen Fall führt eine 12-W-LED, die von einer 12-V-Versorgung angesteuert wird, zu einem Drain-Strom von 1A.

Daher beträgt die vom MOSFET abgegebene Leistung P = I2 * R = 1 * 0,1 = 0,1W.

Dies scheint ein niedriger Wert zu sein, aber wenn Sie einen Motor mit demselben MOSFET antreiben, ist die Situation etwas anders. Der Anlaufstrom (auch als Einschaltstrom bezeichnet) eines Motors ist sehr hoch.

Selbst bei einem RDS von 0,1Ω ist die Verlustleistung beim Anfahren eines Motors also immer noch deutlich hoch, was zu einer thermischen Überlastung führen kann. Daher ist RDS ein Schlüsselparameter zur Auswahl eines MOSFETS für Ihre Anwendung.

Auch beim Antrieb eines Motors ist die Gegen-EMK ein wichtiger Faktor, der beim Entwurf der Schaltung berücksichtigt werden muss.

Einer der Hauptvorteile des Antriebs eines Motors mit MOSFET besteht darin, dass ein PWM-Eingangssignal verwendet werden kann, um die Drehzahl des Motors reibungslos zu steuern.