MOSFET kytkimenä

tässä opetusohjelmassa tutustutaan MOSFETin toimintaan kytkimenä. MOSFET-opetusohjelmassa olemme nähneet MOSFETin perusasiat, sen tyypit, rakenne ja myös muutamia MOSFETin sovelluksia.

yksi MOSFETin tärkeistä sovelluksista tehoelektroniikan alalla on se, että se voidaan konfiguroida yksinkertaiseksi analogiseksi kytkimeksi. Tällaisten analogisten kytkimien avulla digitaaliset järjestelmät voivat ohjata analogisten piirien signaalien kulkua.

ennen kuin menen yksityiskohtiin siitä, miten MOSFET toimii kytkimenä, käyn läpi kertauksen MOSFETin perusteista, sen toiminta-alueista, sisäisestä rakenteesta jne.

lisätietoja Mosfeteista on kohdassa ”MOSFET Tutorial”.

Johdatus MOSFETiin

MOSFET-tai Metallioksidipuolijohdekenttäefektitransistori, toisin kuin Bipolaarinen Liitostransistori (BJT) on unipolaarinen laite siinä mielessä, että se käyttää johtumisessa vain pääosan kantajia.

se on eräänlainen kenttäefektitransistori, jossa on eristetty portti kanavasta (siksi, joskus kutsutaan eristetty portti Fet tai IGFET) ja jännite porttiliittimessä määrittää johtavuuden.

terminaaleista puhuttaessa MOSFET on tyypillisesti 3-päätelaite, jotka ovat portti (G), lähde (S) ja tyhjennys (D) (Vaikka on olemassa 4.päätelaite, jota kutsutaan substraatiksi tai rungoksi, sitä ei yleensä käytetä joko tulo-tai lähtöliitännässä).

MOSFET-symboli

MOSFET voidaan luokitella Parannustyyppiin MOSFET ja Deplet-tyyppiin MOSFET. Kukin näistä tyypeistä jaetaan edelleen n-kanavan MOSFETiin ja p-kanavan MOSFETiin.

kunkin tällaisen MOSFET-tyypin symbolit on esitetty alla olevassa kuvassa.

suurin ero Parannustilan MOSFET-ja Poistumistilan MOSFET-symbolien välillä on se, että poistumistilassa kanava on jo muodostettu eli se toimii normaalisti suljettuna (NC) kytkimenä ja tehostustilan tapauksessa kanavaa ei muodosteta aluksi eli normaalisti auki (ei) kytkimenä.

MOSFETin rakenne

MOSFETin rakenne vaihtelee sovelluksen perusteella, eli IC-tekniikassa MOSFETit ovat melko lateraalisia, kun taas Tehomosfettien rakenne on enemmänkin pystykanava. Sovelluksesta riippumatta mosfetissa on periaatteessa kolme päätettä: portti, viemäri ja lähde.

Jos ajatellaan n-kanavan MOSFETIÄ, sekä lähde että valuma koostuvat n-tyypeistä, jotka istuvat p-tyypin substraatissa.

MOSFETin työskentely

yritetään nyt ymmärtää, miten n-kanavan Tehostustila MOSFET toimii. Jotta valuvirtaa voidaan kuljettaa, MOSFETin viemäri-ja lähdealueiden välillä tulee olla kanava.

kanava syntyy, kun portti-ja lähdepäätteiden välinen jännite VGS on suurempi kuin kynnysjännite VTH.

kun VGS > VTH, laitteen sanotaan olevan triodi – (tai vakiovastus) alueella tai kylläisyysalueella riippuen jännitteestä viemäri-ja lähdepäätteiden VDS.

mille tahansa VGS: lle, jos VDS < VGS – VTH, laite on triodialueella (tunnetaan myös nimellä vakiovastus tai lineaarinen alue). Jos VDS > VGS – VTH, laite siirtyy kylläisyysalueelle.

kun VGS < VTH, niin laite on off-tilassa. Porttivirta kummallakin toiminta-alueella on hyvin pienempi (lähes yhtä suuri kuin nolla). Siksi MOSFET tunnetaan Jännitevetoisena laitteena.

MOSFETin Ominaisuuskäyrä

alla olevassa kuvassa näkyy MOSFETin ominaiskäyrä kolmella toiminta-alueella. Se kuvaa valua nykyinen ID vs. valua lähde jännite VDS tietyn portin lähde jännite VGS.

MOSFETin toiminta-alueet

edellä mainitun MOSFETin toiminnan perusteella voidaan päätellä, että MOSFETilla on kolme toiminta-aluetta. Ne ovat:

• Cut-off-alue
• lineaarinen (tai Triodi) alue
• Kylläisyysalue

a MOSFET toimii cut-off-alueella, kun vgs < VTH. Tällä alueella MOSFET on OFF state, koska ei ole kanava indusoitu välillä valua ja lähde.

indusoitavalle kanavalle ja mosfetille, joka toimii joko lineaarisella tai kyllästysalueella, vgs > VTH.

Gate – Drain bias-jännite VGD määrittää, onko MOSFET lineaarisella vai kyllästysalueella. Molemmilla näillä alueilla MOSFET on ON-tilassa, mutta ero on lineaarisella alueella, kanava on jatkuva ja tyhjennysvirta on verrannollinen kanavan vastukseen.

saturaatioalueelle tultaessa VDS > VGS – VTH, kanava nipistää irti eli levenee aiheuttaen jatkuvan Valuvirran.

vaihtaminen elektroniikassa

Puolijohdekytkentä elektroniikkapiirissä on yksi tärkeä näkökohta. PUOLIJOHDEKOMPONENTTEJA kuten BJT tai MOSFET käytetään yleensä kytkiminä eli ne ovat joko ON-tilassa tai OFF-tilassa.

Ideaalikytkimen ominaisuudet

jotta puolijohdekomponentti, kuten MOSFET, toimisi ideaalikytkimenä, sillä on oltava seuraavat ominaisuudet:

• ON-tilan aikana sen kantaman virran määrää ei pitäisi rajoittaa.
• OFF-tilassa estojännitteelle ei pitäisi olla mitään rajaa.
• kun laite ON päällä, jännitehäviö on nolla.
• OFF-tilan resistanssin tulisi olla ääretön.
• laitteen toimintanopeudella ei ole rajoituksia.

käytännön Kytkinominaisuudet

, mutta maailma ei ole ihanteellinen ja se soveltuu myös puolijohdekytkimiimme. Käytännön tilanteessa MOSFETin kaltaisella puolijohdekomponentilla on seuraavat ominaisuudet.

• ON-tilan aikana tehonkäsittelyominaisuudet ovat rajalliset ts. rajoitettu johtovirta. ESTOJÄNNITE OFF-tilan aikana on myös rajoitettu.
• äärellinen päälle-ja sammutusajat, jotka rajoittavat vaihtonopeutta. Myös maksimitoimintataajuus on rajoitettu.
• kun laite ON päällä, tulee äärellinen tilaresistanssi, joka johtaa jännitteen putoamiseen eteenpäin. Myös äärellinen off – tilan vastus, joka johtaa käänteiseen vuotovirtaan.
• käytännön kytkin kokee tehon häviävän on-tilan, off-tilan ja myös siirtymätilan aikana (on-off tai off-on).

MOSFETin työskentely kytkimenä

Jos olisi ymmärtänyt MOSFETin ja sen toiminta-alueiden toiminnan, olisi todennäköisesti arvannut, miten MOSFET toimii kytkimenä. Ymmärrämme MOSFETin toiminnan kytkimenä tarkastelemalla yksinkertaista esimerkkipiiriä.

Tämä on yksinkertainen piiri, jossa n-kanavan Tehostustila MOSFET sytyttää tai sammuttaa valon. Jotta MOSFET toimisi kytkimenä, sitä on käytettävä valorajan ja lineaarisen (tai triodin) alueella.

oleta, että laite on aluksi pois päältä. Portin ja lähteen välinen jännite eli VGS tehdään sopivasti positiiviseksi (teknisesti ottaen vgs > VTH), MOSFET tulee lineaariselle alueelle ja kytkin ON päällä. Tämä saa valon syttymään.

Jos tuloportin jännite on 0V (tai teknisesti < VTH), MOSFET siirtyy katkaisutilaan ja sammuu. Tämä puolestaan saa valon sammumaan.

esimerkki Mosfetista kytkimenä

harkitse tilannetta, jossa haluat digitaalisesti ohjata 12W lediä (12V @ 1A) mikrokontrollerilla. Kun painat mikrokontrolleriin kytkettyä painiketta, LED: n pitäisi syttyä. Kun painat samaa nappia uudelleen, ledin pitäisi sammua.

on selvää, että lediä ei voi suoraan ohjata mikrokontrollerin avulla. Tarvitset laitteen, joka siltaa kuilun mikrokontrollerin ja ledin välillä.

tämän laitteen tulee ottaa ohjaussignaali mikrokontrollerista (yleensä tämän signaalin jännite on mikrokontrollerin käyttöjännitealueella, esimerkiksi 5V) ja syöttää virtaa lediin, joka tässä tapauksessa on 12V: n syötöstä.

laite, jota aion käyttää, on MOSFET. Edellä mainitun skenaarion asetukset on esitetty seuraavassa piirissä.

kun MOSFETin portille syötetään Logic 1 (olettaen, että 5V Mikrokontrolleri, Logic 1 on 5V ja Logic 0 on 0V), se kytkeytyy päälle ja antaa tyhjennysvirran virrata. Tämän seurauksena LED on päällä.

vastaavasti, kun MOSFETin portille annetaan logiikka 0, se sammuu ja kääntyy pois päältä LED.

näin suuritehoista laitetta voi ohjata digitaalisesti mikrokontrollerin ja MOSFETin yhdistelmällä.

Tärkeä huomautus

tärkeä huomioon otettava tekijä on MOSFETin tehohäviö. Tarkastellaan MOSFET kanssa valua lähde vastus 0,1 Ω. Edellä mainitussa tapauksessa eli 12 W: n LEDillä, jota ohjaa 12V: n syöttö, saadaan tyhjennysvirta 1A.

näin ollen MOSFETin hajottama teho on P = I2 * R = 1 * 0,1 = 0,1 W.

tämä vaikuttaa pieneltä arvolta, mutta jos ajaa moottorilla samaa MOSFETIÄ, tilanne on hieman erilainen. Moottorin käynnistysvirta (jota kutsutaan myös kiirevirraksi) on erittäin korkea.

joten, vaikka RDS on 0,1 Ω, moottorin käynnistyksen aikana Haihtuva teho on silti huomattavan korkea, mikä voi johtaa lämpöylikuormitukseen. Siten, RDS on keskeinen parametri valita MOSFET sovellukseesi.

myös moottorilla ajettaessa takana oleva emf on tärkeä tekijä, joka on otettava huomioon piiriä suunniteltaessa.

yksi MOSFET-moottorilla ajamisen keskeisistä eduista on se, että tulon PWM-signaalia voidaan käyttää moottorin nopeuden sulavasti säätämiseen.