w tym samouczku dowiemy się o działaniu mosfetu jako przełącznika . W samouczku MOSFET, widzieliśmy podstawy MOSFET, jego typy, struktura i kilka zastosowań MOSFET, jak również.
jednym z ważnych zastosowań mosfetu w dziedzinie energoelektroniki jest to, że można go skonfigurować jako prosty przełącznik analogowy. Za pomocą takich przełączników analogowych systemy cyfrowe mogą kontrolować przepływ sygnałów w obwodach analogowych.
zanim przejdę do szczegółów działania mosfetu jako przełącznika, pozwólcie, że przedstawię wam podsumowanie podstaw mosfetu, jego regionów działania, struktury wewnętrznej itp.
aby uzyskać więcej informacji na temat Mosfetów, przeczytaj „MOSFET Tutorial”.
zarys
Wprowadzenie do MOSFET
tranzystor polowy MOSFET lub półprzewodnikowy tlenek metalu, w przeciwieństwie do bipolarnego tranzystora połączeniowego (BJT) jest urządzeniem jednobiegunowym w tym sensie, że wykorzystuje tylko większość nośników w przewodzeniu.
jest to rodzaj tranzystora polowego z izolowaną bramką od kanału (stąd czasami nazywaną izolowaną bramką FET lub IGFET), a napięcie na zacisku bramki określa przewodność.
mówiąc o terminalach, MOSFET jest zazwyczaj 3 urządzeniem końcowym, które są bramą (G), źródłem (S) i drenażem (D) (mimo że istnieje 4.terminal zwany substratem lub korpusem, zwykle nie jest używany ani w połączeniu wejściowym, ani wyjściowym).
Symbol mosfetu
MOSFET można podzielić na typu MOSFET i MOSFET. Każdy z tych typów dzieli się dalej na N-kanałowy MOSFET i p-kanałowy MOSFET.
symbole dla każdego z tych typów Mosfetów są pokazane na poniższym obrazku.
główna różnica między trybem rozszerzenia MOSFET a trybem wyczerpania MOSFET polega na tym, że w trybie wyczerpania kanał jest już utworzony, tzn. działa jako przełącznik normalnie zamknięty (NC), a w przypadku trybu ulepszenia kanał nie jest początkowo utworzony, tzn. przełącznik normalnie otwarty (NO).
struktura mosfetu
struktura mosfetu różni się w zależności od zastosowania, tzn. Mosfety w technologii IC są dość boczne, podczas gdy struktura Mosfetów mocy jest bardziej pionowym kanałem. Niezależnie od zastosowania, MOSFET ma w zasadzie trzy zaciski: Gate, Drain i Source.
jeśli weźmiemy pod uwagę N-kanałowy MOSFET, zarówno Źródło, jak i drenaż składają się z Typu n, które znajdują się w substracie typu P.
praca mosfetu
spróbujmy teraz zrozumieć, jak działa MOSFET w trybie rozszerzenia kanału N. Aby przenosić prąd spustowy, powinien istnieć kanał między rejonami spustowymi i źródłowymi mosfetu.
kanał jest tworzony, gdy napięcie między bramką a ZACISKAMI źródłowymi VGS jest większe niż napięcie progowe VTH.
Gdy VGS> VTH, mówi się, że urządzenie znajduje się w regionie triody (lub stałej rezystancji) lub regionie nasycenia w zależności od napięcia na zaciskach spustowych i źródłowych VDS.
dla dowolnego VGS, jeśli VDS < VGS-VTH, to urządzenie znajduje się w regionie triody (znanym również jako stała rezystancja lub region liniowy). Jeżeli VDS > VGS – VTH, wtedy urządzenie wchodzi w obszar nasycenia.
Gdy VGS < VTH, urządzenie jest w stanie wyłączenia. Prąd bramki w obu regionach działania jest bardzo mniejszy (prawie równy zeru). Stąd MOSFET jest znany jako urządzenie napędzane napięciem.
charakterystyka mosfetu
poniższy obrazek przedstawia charakterystyczną krzywą mosfetu w trzech obszarach działania. Przedstawia ID Prądu spustowego w porównaniu z napięciem spustowym do źródła VDS dla danej bramki do napięcia źródła VGS.
regiony działania mosfetu
na podstawie wyżej wspomnianego działania mosfetu można stwierdzić, że MOSFET ma trzy regiony działania. Są to:
- Region odcięcia
- Region liniowy (lub Triodowy)
- Region nasycenia
MOSFET działa w regionie odcięcia, gdy VGS < VTH. W tym regionie MOSFET jest w stanie wyłączenia, ponieważ nie ma kanału indukowanego między drenażem a źródłem.
aby kanał był indukowany i MOSFET działał w obszarze liniowym lub nasycającym, VGS> VTH.
napięcie VGD bramy – drenażu określi, czy MOSFET znajduje się w obszarze liniowym, czy nasycenia. W obu tych regionach MOSFET jest w stanie ON, ale różnica jest w obszarze liniowym, kanał jest ciągły, a prąd spustowy jest proporcjonalny do rezystancji kanału.
przechodząc do obszaru nasycenia, jako VDS> VGS – VTH, kanał pęka, tzn. rozszerza się, powodując stały prąd odpływowy.
przełączanie w elektronice
przełączanie półprzewodników w obwodzie elektronicznym jest jednym z ważnych aspektów. Urządzenia półprzewodnikowe, takie jak BJT lub MOSFET, są zwykle obsługiwane jako przełączniki, tj. są w stanie włączonym lub wyłączonym.
idealna charakterystyka przełącznika
aby urządzenie półprzewodnikowe, takie jak MOSFET, działało jako idealny przełącznik, musi mieć następujące cechy:
- podczas stanu ON nie powinno być żadnych ograniczeń co do ilości prądu, który może przenosić.
- w stanie wyłączenia nie powinno być żadnych ograniczeń napięcia blokującego.
- gdy urządzenie jest w stanie ON, nie powinien być zerowy spadek napięcia.
- rezystancja stanu wyłączonego powinna być nieskończona.
- prędkość pracy urządzenia nie ma ograniczeń.
praktyczna charakterystyka przełącznika
ale świat nie jest idealny i ma zastosowanie nawet do naszych przełączników półprzewodnikowych. W praktyce urządzenie półprzewodnikowe, takie jak MOSFET, ma następujące cechy.
- w stanie ON możliwości obsługi zasilania są ograniczone tj. Ograniczony Prąd przewodzenia. Napięcie blokujące podczas stanu wyłączenia jest również ograniczone.
- skończone czasy włączania i wyłączania, które ograniczają prędkość przełączania. Maksymalna częstotliwość pracy jest również ograniczona.
- gdy urządzenie jest włączone, wystąpi skończona rezystancja stanu, co spowoduje spadek napięcia do przodu. Będzie również skończona rezystancja stanu wyłączania, która skutkuje odwrotnym prądem upływowym.
- praktyczny przełącznik doświadcza utraty mocy podczas stanu włączenia, stanu wyłączenia, a także podczas stanu przejścia (włącz do wyłączenia lub wyłącz do włączenia).
praca mosfetu jako przełącznika
Jeśli rozumiesz działanie mosfetu i jego regionów działania, prawdopodobnie domyśliłbyś się, jak MOSFET działa jako przełącznik. Zrozumiemy działanie mosfetu jako przełącznika, rozważając prosty przykładowy Obwód.
jest to prosty obwód, w którym MOSFET w trybie N-kanałowym włącza lub wyłącza światło. Aby MOSFET działał jako przełącznik, musi być obsługiwany w regionie odcięcia i liniowym (lub triodowym).
Załóżmy, że urządzenie jest początkowo wyłączone. VGS jest odpowiednio dodatnie (technicznie rzecz biorąc, VGS > VTH), MOSFET wchodzi w obszar liniowy i przełącznik jest włączony. To sprawia, że światło się włącza.
Jeśli napięcie bramki wejściowej wynosi 0V (lub technicznie< VTH), MOSFET wchodzi w stan odcięcia i wyłącza się. To z kolei sprawi, że światło się wyłączy.
przykład mosfetu jako przełącznika
rozważ sytuację, w której chcesz sterować cyfrowo DIODĄ 12W (12V @ 1A) za pomocą mikrokontrolera. Po naciśnięciu przycisku podłączonego do mikrokontrolera DIODA LED powinna się włączyć. Po ponownym naciśnięciu tego samego przycisku DIODA LED powinna się wyłączyć.
oczywiste jest, że nie można bezpośrednio sterować DIODĄ LED za pomocą mikrokontrolera. Potrzebujesz urządzenia, które wypełnia lukę między mikrokontrolerem a DIODĄ LED.
urządzenie to powinno pobierać sygnał sterujący z mikrokontrolera (Zwykle napięcie tego sygnału mieści się w zakresie napięcia roboczego mikrokontrolera, na przykład 5V) i zasilać diodę LED, która w tym przypadku pochodzi z zasilania 12V.
urzÄ … dzeniem, ktĂłrego zamierzam uĺźywaä ‡ jest MOSFET. Konfiguracja wyżej wymienionego scenariusza jest pokazana w poniższym obwodzie.
gdy do bramki mosfetu zostanie dostarczona logika 1 (zakładając, że mikrokontroler 5V, logika 1 to 5V, a logika 0 to 0V), włącza się i umożliwia przepływ prądu spustowego. W rezultacie DIODA LED jest włączona.
podobnie, gdy bramce mosfetu podano logikę 0, wyłącza się ona i z kolei wyłącza diodę LED.
w ten sposób można sterować cyfrowo urządzeniem dużej mocy za pomocą kombinacji mikrokontrolera i MOSFET.
Ważna uwaga
ważnym czynnikiem do rozważenia jest rozpraszanie mocy przez MOSFET. Rozważmy MOSFET z rezystancją drenażu do źródła 0,1 Ω. W powyższym przypadku, tj. DIODA LED 12W napędzana zasilaniem 12V doprowadzi do prądu spustowego 1A.
stąd moc rozpraszana przez MOSFET wynosi P = I2 * R = 1 * 0,1 = 0,1 W.
wydaje się, że jest to niska wartość, ale jeśli jeździsz silnikiem za pomocą tego samego mosfetu, sytuacja jest nieco inna. Prąd rozruchowy (zwany również prądem rozruchowym) silnika będzie bardzo wysoki.
tak więc, nawet przy RDS 0,1 Ω, moc rozpraszana podczas rozruchu silnika nadal będzie znacznie wysoka, co może prowadzić do przeciążenia termicznego. Stąd RDS będzie kluczowym parametrem do wyboru mosfetu dla Twojej aplikacji.
również podczas jazdy silnikiem, tylny PEM jest ważnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę podczas projektowania obwodu.
jedną z głównych zalet Napędu Silnika z MOSFET jest to, że wejściowy sygnał PWM może być używany do płynnej kontroli prędkości silnika.