In questo tutorial, impareremo a conoscere il funzionamento di un MOSFET come interruttore. Nel tutorial MOSFET, abbiamo visto le basi di un MOSFET, i suoi tipi, la struttura e alcune applicazioni di MOSFET pure.
Una delle applicazioni importanti del MOSFET nel campo dell’elettronica di potenza è che può essere configurato come un semplice interruttore analogico. Con l’aiuto di tali interruttori analogici, i sistemi digitali possono controllare il flusso di segnali nei circuiti analogici.
Prima di entrare nei dettagli di come un MOSFET agisce come un interruttore, lascia che ti porti attraverso un riassunto delle basi di un MOSFET, delle sue regioni operative, della struttura interna ecc.
Per ulteriori informazioni sui MOSFET, leggere “MOSFET Tutorial”.
Outline
Introduzione al MOSFET
Un MOSFET o ossido di metallo Semiconductor Field Effect Transistor, a differenza di un transistor a giunzione bipolare (BJT) è un dispositivo unipolare nel senso che utilizza solo i vettori di maggioranza nella conduzione.
È un tipo di transistor ad effetto di campo con un cancello isolato dal canale (quindi, a volte chiamato come cancello isolato FET o IGFET) e la tensione al terminale del cancello determina la conduttività.
Parlando di terminali, un MOSFET è in genere un dispositivo a 3 terminali, che sono Gate (G), Source (S) e Drain (D) (anche se esiste un 4 ° terminale chiamato Substrato o Corpo, di solito non viene utilizzato in connessione di ingresso o uscita).
Simbolo MOSFET
Il MOSFET può essere classificato in MOSFET di tipo Enhancement e MOSFET di tipo Depletion. Ciascuno di questi tipi sono ulteriormente suddivisi in MOSFET a canale n e MOSFET a canale P.
I simboli per ciascuno di questi tipi di MOSFET sono mostrati nell’immagine qui sotto.
La differenza principale tra una delle Modalità MOSFET e l’Esaurimento Modalità MOSFET è che in modalità di esaurimento, il canale è già formata cioè agisce come un Normalmente Chiuso (NC) interruttore e, in caso di potenziamento di modalità, il canale non è formata inizialmente, cioè un contatto Normalmente Aperto (NO) interruttore.
Struttura del MOSFET
La struttura di un MOSFET varia in base all’applicazione, cioè i MOSFET nella tecnologia IC sono abbastanza laterali mentre la struttura dei MOSFET di potenza è più di un canale verticale. Indipendentemente dall’applicazione, un MOSFET ha fondamentalmente tre terminali, ovvero Gate, Drain e Source.
Se consideriamo un MOSFET a canale n, sia la Sorgente che il Drain sono costituiti da n-type che si trovano in un substrato di tipo P.
Funzionamento di un MOSFET
Cerchiamo ora di capire come funziona un MOSFET in modalità Enhancement a canale N. Per trasportare una corrente di scarico, dovrebbe esserci un canale tra le regioni di scarico e sorgente del MOSFET.
Un canale viene creato quando la tensione tra gate e terminali sorgente VGS è maggiore della tensione di soglia VTH.
Quando VGS > VTH, il dispositivo è detto di essere in triodo (o resistenza costante) regione o regione di saturazione a seconda della tensione attraverso scarico e terminali di origine VDS.
Per qualsiasi VGS, se VDS< VGS-VTH, il dispositivo si trova nella regione del triodo (nota anche come resistenza costante o regione lineare). Se VDS> VGS-VTH, il dispositivo entra nella regione di saturazione.
Quando VGS< VTH, quindi il dispositivo è in stato off. La corrente di gate in entrambe le regioni di funzionamento è molto inferiore (quasi uguale a zero). Quindi, il MOSFET è noto come dispositivo guidato dalla tensione.
Curva delle caratteristiche del MOSFET
L’immagine sotto mostra la curva caratteristica del MOSFET in tre regioni di funzionamento. Raffigura l’ID corrente di scarico rispetto allo scarico alla tensione di sorgente VDS per un dato Gate alla tensione di sorgente VGS.
Regioni di funzionamento del MOSFET
Sulla base del funzionamento di un MOSFET sopra menzionato, si può concludere che un MOSFET ha tre regioni di funzionamento. Sono:
- Cut-off Region
- Linear (or Triode) Region
- Saturation Region
Un MOSFET opera in cut-off region quando VGS< VTH. In questa regione, il MOSFET è in stato OFF in quanto non vi è alcun canale indotto tra drain e source.
Affinché il canale da indurre e il MOSFET operino in una regione lineare o di saturazione, VGS> VTH.
La tensione di polarizzazione Gate – Drain VGD determinerà se il MOSFET è nella regione lineare o di saturazione. In entrambe queste regioni, il MOSFET è in stato ON ma la differenza è nella regione lineare, il canale è continuo e la corrente di drain è proporzionale alla resistenza del canale.
Arrivando alla regione di saturazione, come VDS > VGS – VTH, il canale si stacca, cioè si allarga con conseguente corrente di scarico costante.
Commutazione in elettronica
La commutazione a semiconduttore nel circuito elettronico è uno degli aspetti importanti. Un dispositivo a semiconduttore come un BJT o un MOSFET sono generalmente azionati come interruttori cioè sono in stato ON o in stato OFF.
Caratteristiche dell’interruttore ideale
Affinché un dispositivo a semiconduttore come un MOSFET funga da interruttore ideale, deve avere le seguenti caratteristiche:
- Durante lo stato ON, non dovrebbe esserci alcun limite alla quantità di corrente che può trasportare.
- In stato OFF, non ci dovrebbe essere alcun limite sulla tensione di blocco.
- Quando il dispositivo è in stato ON, ci dovrebbe essere zero caduta di tensione.
- La resistenza dello stato OFF dovrebbe essere infinita.
- La velocità operativa del dispositivo non ha limiti.
Caratteristiche pratiche dell’interruttore
Ma il mondo non è l’ideale ed è applicabile anche ai nostri interruttori a semiconduttore. In una situazione pratica, un dispositivo a semiconduttore come un MOSFET ha le seguenti caratteristiche.
- Durante lo stato ON, le capacità di gestione della potenza sono limitate, ad es. corrente di conduzione limitata. Anche la tensione di blocco durante lo stato OFF è limitata.
- Finito accendere e spegnere volte che limitano la velocità di commutazione. Anche la frequenza operativa massima è limitata.
- Quando il dispositivo è acceso, ci sarà un finito sullo stato di resistenza con conseguente una caduta di tensione diretta. Ci sarà anche una resistenza finita fuori stato che si traduce in una corrente di dispersione inversa.
- Un interruttore pratico sperimenta il potere perde durante lo stato on, off stato e anche durante lo stato di transizione (on a off o off a on).
Funzionamento di un MOSFET come interruttore
Se hai capito il funzionamento del MOSFET e le sue regioni di funzionamento, probabilmente avresti indovinato come funziona un MOSFET come interruttore. Capiremo il funzionamento di un MOSFET come interruttore considerando un semplice esempio di circuito.
Questo è un semplice circuito in cui un MOSFET in modalità di miglioramento del canale n accende o spegne una luce. Al fine di operare un MOSFET come un interruttore, deve essere azionato in cut-off e lineare (o triodo) regione.
Si supponga che il dispositivo sia inizialmente SPENTO. La tensione attraverso Gate e Sorgente cioè VGS è resa opportunamente positiva (tecnicamente parlando, VGS > VTH), il MOSFET entra nella regione lineare e l’interruttore è ACCESO. Questo rende la luce per accendere.
Se la tensione di ingresso del gate è 0V (o tecnicamente< VTH), il MOSFET entra nello stato di cut-off e si spegne. Questo a sua volta farà la luce per spegnere.
Esempio di MOSFET come interruttore
Si consideri una situazione in cui si desidera controllare digitalmente un LED 12W (12V @ 1A) utilizzando un microcontrollore. Quando si preme un pulsante collegato al microcontrollore, il LED dovrebbe accendersi. Quando si preme nuovamente lo stesso pulsante, il LED dovrebbe spegnersi.
È ovvio che non è possibile controllare direttamente il LED con l’aiuto del microcontrollore. Hai bisogno di un dispositivo che colmi il divario tra il microcontrollore e il LED.
Questo dispositivo dovrebbe ricevere un segnale di controllo dal microcontrollore (di solito la tensione di questo segnale è nell’intervallo di tensione di funzionamento del microcontrollore, ad esempio 5V) e fornire alimentazione al LED, che in questo caso proviene da un’alimentazione 12V.
Il dispositivo che userò è un MOSFET. La configurazione dello scenario sopra menzionato è mostrata nel seguente circuito.
Quando un Logic 1 (supponendo un microcontrollore 5V, Logic 1 è 5V e Logic 0 è 0V) viene fornito al gate del MOSFET, si accende e consente il flusso di corrente di drain. Di conseguenza, il LED è acceso.
Allo stesso modo, quando viene data una Logica 0 al gate del MOSFET, si spegne e a sua volta spegne il LED.
Così, è possibile controllare digitalmente un dispositivo ad alta potenza con la combinazione di microcontrollore e MOSFET.
Nota importante
Un fattore importante da considerare è la dissipazione di potenza del MOSFET. Si consideri un MOSFET con una resistenza Drain to Source di 0.1 Ω. Nel caso di cui sopra, cioè un LED da 12W azionato da un alimentatore da 12V porterà ad una corrente di drain di 1A.
Quindi la potenza dissipata dal MOSFET è P = I2 * R = 1 * 0.1 = 0.1 W.
Questo sembra essere un valore basso, ma se si guida un motore utilizzando lo stesso MOSFET, la situazione è leggermente diversa. La corrente di avviamento (chiamata anche corrente di punta) di un motore sarà molto alta.
Così, anche con RDS di 0.1 Ω, la potenza dissipata durante l’avviamento di un motore sarà ancora significativamente elevata, che può portare a sovraccarico termico. Quindi, RDS sarà un parametro chiave per selezionare un MOSFET per la tua applicazione.
Inoltre, quando si guida un motore, l’emf posteriore è un fattore importante che deve essere considerato durante la progettazione del circuito.
Uno dei principali vantaggi di guidare un motore con MOSFET è che un segnale PWM di ingresso può essere utilizzato per controllare agevolmente la velocità del motore.