In deze tutorial zullen we leren over de werking van een MOSFET als een schakelaar. In de MOSFET tutorial hebben we de basisprincipes van een MOSFET gezien, zijn types, structuur en een paar toepassingen van MOSFET.
een van de belangrijke toepassingen van MOSFET op het gebied van vermogenselektronica is dat het kan worden geconfigureerd als een eenvoudige analoge schakelaar. Met behulp van dergelijke Analoge Schakelaars kunnen digitale systemen de stroom van signalen in analoge circuits regelen.
alvorens in te gaan op de details van hoe een MOSFET werkt als een switch, laat me u door een samenvatting van de basisprincipes van een MOSFET, zijn operatie regio ‘ s, interne structuur etc.
voor meer informatie over MOSFETs, lees”MOSFET Tutorial”.
Outline
Inleiding tot MOSFET
een MOSFET of metaaloxide halfgeleider-veldeffecttransistor, in tegenstelling tot een bipolaire Junctietransistor (BJT) is een unipolair apparaat in die zin dat het alleen de grootste dragers gebruikt voor de geleiding.
Het is een type veldeffecttransistor met een geïsoleerde poort van het kanaal (vandaar ook wel isolated Gate FET of IGFET genoemd) en de spanning aan de gate terminal bepaalt de geleidbaarheid.
Over terminals gesproken, een MOSFET is meestal een 3-eindapparaat, dat Gate (G), Source (S) en Drain (D) zijn (hoewel er een 4e terminal is die substraat of Body wordt genoemd, wordt deze meestal niet gebruikt in zowel input-als output-verbindingen).
MOSFET symbool
MOSFET kan worden ingedeeld in het type verbetering MOSFET en depletie MOSFET. Elk van deze types zijn verder onderverdeeld in n-kanaal MOSFET en p-kanaal MOSFET.
de symbolen voor elk van deze typen MOSFETs worden weergegeven in de afbeelding hieronder.
Het belangrijkste verschil tussen de Versterkingsmodus MOSFET en de Depletiemodus MOSFET is dat in de depletiemodus het kanaal al gevormd is, dat wil zeggen dat het fungeert als een normaal gesloten (NC) switch en in het geval van de versterkingsmodus, het kanaal in eerste instantie niet gevormd is, dat wil zeggen een normaal Open (NO) switch.
MOSFET structuur
de structuur van een MOSFET varieert afhankelijk van de toepassing, d.w.z. MOSFET ’s in IC-technologie zijn vrij laterale, terwijl de structuur van MOSFET’ s meer een verticaal kanaal is. Ongeacht de toepassing heeft een MOSFET in principe drie terminals, namelijk Gate, Drain en Source.
als we een N-kanaal MOSFET beschouwen, zijn zowel de bron als de Drain opgebouwd uit n-type die in een P-type substraat zitten.
werking van een MOSFET
laten we nu proberen te begrijpen hoe een MOSFET met n-Kanaalverbetering werkt. Om een drain stroom te dragen, moet er een kanaal tussen de drain en de bron regio ‘ s van de MOSFET.
een kanaal wordt gemaakt wanneer de spanning tussen poort-en bronaansluitingen VGS groter is dan de drempelspanning VTH.
wanneer VGS > VTH, wordt gezegd dat het apparaat zich in een triode (of constante weerstand) gebied of verzadigingsgebied bevindt, afhankelijk van de spanning over drain en bron terminals VDS.
voor elke VGS, als VDS < VGS – VTH, dan is het apparaat in triode regio (ook bekend als constante weerstand of lineaire regio). Als VDS > VGS-VTH, dan komt het apparaat in het verzadigingsgebied.
als VGS < VTH, dan is het apparaat in off-staat. De poort stroom in beide gebieden van de werking is zeer minder (bijna gelijk aan nul). Daarom staat MOSFET bekend als Spanningsgestuurd apparaat.
MOSFET-karakteristieke Curve
de afbeelding hieronder toont de karakteristieke curve van MOSFET in drie werkgebieden. Het toont de afvoer huidige ID versus de afvoer naar de bron spanning VDS voor een bepaalde poort naar de bron spanning VGS.
MOSFET werkgebieden
op basis van de bovengenoemde werking van een MOSFET kan worden geconcludeerd dat een MOSFET drie werkgebieden heeft. Ze zijn:
- grensgebied
- Lineaire (of Triode) Regio
- Verzadigingsgebied
een MOSFET werkt in grensgebied wanneer VGS < VTH. In deze regio is de MOSFET in OFF-state omdat er geen kanaal is geïnduceerd tussen afvoer en bron.
Voor het te induceren kanaal en MOSFET om te werken in een lineair of verzadigingsgebied, VGS > VTH.
De Gate-Drain bias spanning VGD zal bepalen of de MOSFET in lineair of verzadigd gebied is. In beide regio ‘ s, de MOSFET is in ON staat, maar het verschil is in lineaire regio, het kanaal is continu en de afvoerstroom is evenredig met de weerstand van het kanaal.
komend naar verzadigingsgebied, als VDS > VGS – VTH, knijpt het kanaal af, d.w.z. verbreedt, wat resulteert in een constante afvoerstroom.
schakelen in elektronica
schakelen in elektronische schakelingen is een van de belangrijke aspecten. Een halfgeleiderapparaat zoals een BJT of een MOSFET wordt in het algemeen gebruikt als schakelaars, d.w.z. ze zijn ofwel in Aan-of UIT-toestand.
ideale Schakelaarkarakteristieken
om als ideale schakelaar te kunnen fungeren moet een halfgeleider zoals een MOSFET de volgende eigenschappen hebben:
- Tijdens de AANSTAND mag er geen limiet zijn aan de hoeveelheid stroom die het kan dragen.
- In UIT-toestand mag er geen limiet zijn op de blokkeerspanning.
- wanneer het apparaat in ON staat, moet er een nulspanningsval zijn.
- de statusresistentie moet oneindig zijn.
- de werksnelheid van het apparaat heeft geen grenzen.
praktische Switch Characteristics
maar de wereld is niet ideaal en is zelfs toepasbaar op onze halfgeleiderschakelaars. In een praktische situatie heeft een halfgeleiderapparaat zoals een MOSFET de volgende kenmerken.
- Tijdens de ON-status zijn de vermogensafhandelingsmogelijkheden beperkt, d.w.z. beperkte geleidingsstroom. De blokkeerspanning tijdens UIT-toestand is ook beperkt.
- eindige in-en uitschakeltijden die de schakelsnelheid beperken. De maximale werkfrequentie is ook beperkt.
- wanneer het apparaat aan staat, zal er een eindige toestandsweerstand zijn die resulteert in een voorwaartse spanningsdaling. Er zal ook een eindige uit staat weerstand die resulteert in een omgekeerde lekstroom.
- een praktische schakelaar ervaart stroomverlies tijdens AAN -, UIT-en ook tijdens de overgangstoestand (aan naar uit of uit naar aan).
werken van een MOSFET als Switch
Als u de werking van de MOSFET en zijn werkgebieden begrijpt, zou u waarschijnlijk geraden hebben hoe een MOSFET als switch werkt. We zullen de werking van een MOSFET als een schakelaar begrijpen door een eenvoudig voorbeeldcircuit te overwegen.
Dit is een eenvoudige schakeling waarbij een N-Kanaalversterkingsmodus MOSFET een licht aan of uit zal zetten. Om een MOSFET als schakelaar te kunnen bedienen, moet deze in een cut-off en lineair (of triode) gebied worden bediend.
neem aan dat het apparaat in eerste instantie uitgeschakeld is. De spanning over Poort en bron, d.w.z. VGS, wordt op de juiste wijze positief gemaakt( technisch gesproken, VGS > VTH), de MOSFET gaat lineair gebied binnen en de schakelaar is ingeschakeld. Hierdoor gaat het licht aan.
als de Ingangspoortspanning 0V is (of technisch < VTH), gaat de MOSFET de cut-off-toestand in en schakelt uit. Dit op zijn beurt zal het licht uit te schakelen.
voorbeeld van MOSFET als Switch
overweeg een situatie waarin u een 12W LED (12V @ 1A) digitaal wilt aansturen met behulp van een Microcontroller. Wanneer u op een knop drukt die op de microcontroller wordt aangesloten, zou de LED moeten aanzetten. Wanneer u nogmaals op dezelfde knop drukt, moet de LED worden uitgeschakeld.
Het is duidelijk dat u de LED niet direct kunt besturen met behulp van de microcontroller. Je hebt een apparaat nodig dat de kloof tussen de microcontroller en de LED overbrugt.
Dit apparaat moet een besturingssignaal van de microcontroller opnemen (meestal ligt de spanning van dit signaal in het werkspanningsbereik van de microcontroller, bijvoorbeeld 5V) en de voeding van de LED, die in dit geval van een 12V-voeding is.
het apparaat dat ik ga gebruiken is een MOSFET. De opstelling van het bovengenoemde scenario wordt getoond in het volgende circuit.
wanneer een logica 1 (aangenomen dat een 5V Microcontroller, Logica 1 is 5V en logica 0 is 0V) wordt geleverd aan de poort van de MOSFET, wordt deze ingeschakeld en laat de drainstroom stromen. Hierdoor wordt de LED ingeschakeld.
Op dezelfde manier, wanneer een logica 0 wordt gegeven aan de poort van de MOSFET, schakelt deze uit en schakelt op zijn beurt de LED uit.
zo kunt u een apparaat met een hoog vermogen digitaal besturen met de combinatie van Microcontroller en MOSFET.
belangrijke noot
een belangrijke factor om rekening mee te houden is de vermogensdissipatie van de MOSFET. Overweeg een MOSFET met een afvoer naar bronweerstand van 0,1 Ω. In het bovenstaande geval, dat wil zeggen een 12W LED Aangedreven door een 12V voeding zal leiden tot een drain stroom van 1A.
vandaar het vermogen dat door de MOSFET wordt afgevoerd is P = I2 * R = 1 * 0,1 = 0,1 W.
Dit lijkt een lage waarde te zijn, maar als je een motor rijdt met dezelfde MOSFET, is de situatie iets anders. De startstroom (ook wel in-rush stroom genoemd) van een motor zal zeer hoog zijn.
dus, zelfs met RDS van 0,1 Ω, zal het vermogen dat tijdens het opstarten van een motor wordt afgevoerd nog steeds aanzienlijk hoog zijn, wat kan leiden tot thermische overbelasting. Daarom zal RDS een belangrijke parameter zijn om een MOSFET voor uw toepassing te selecteren.
ook bij het besturen van een motor is de EMF terug een belangrijke factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van het circuit.
een van de belangrijkste voordelen van het besturen van een motor met MOSFET is dat een PWM-ingangssignaal kan worden gebruikt om de snelheid van de motor soepel te regelen.