În acest tutorial, vom afla despre funcționarea unui MOSFET ca comutator. În tutorialul MOSFET, am văzut elementele de bază ale unui MOSFET, tipurile, structura acestuia și câteva aplicații ale MOSFET.
una dintre aplicațiile importante ale MOSFET în domeniul electronicii de putere este că poate fi configurat ca un simplu comutator analogic. Cu ajutorul unor astfel de comutatoare analogice, sistemele digitale pot controla fluxul de semnale în circuitele analogice.
înainte de a intra în detalii despre modul în care un MOSFET acționează ca un comutator, permiteți-mi să vă prezint o recapitulare a elementelor de bază ale unui MOSFET, regiunile sale de funcționare, structura internă etc.
pentru mai multe informații despre MOSFET, citiți „Tutorial MOSFET”.
contur
Introducere în MOSFET
un tranzistor cu efect de câmp semiconductor MOSFET sau oxid de metal, spre deosebire de un tranzistor de joncțiune Bipolar (BJT) este un dispozitiv Unipolar în sensul că folosește doar purtătorii majoritari în conducere.
este un tip de tranzistor cu efect de câmp cu o poartă izolată de canal (prin urmare, uneori numită Poarta izolată Fet sau IGFET) și tensiunea la terminalul porții determină conductivitatea.
vorbind de terminale, un MOSFET este de obicei un dispozitiv cu 3 terminale, care sunt poarta (G), Sursa (sursele) și scurgerea (D) (chiar dacă există un al 4-lea terminal numit substrat sau corp, de obicei nu este utilizat nici în conexiunea de intrare, nici în cea de ieșire).
simbolul MOSFET
MOSFET poate fi clasificat în MOSFET de tip accesoriu și MOSFET de tip epuizare. Fiecare dintre aceste tipuri sunt împărțite în continuare în MOSFET N-canal și MOSFET p-canal.
simbolurile pentru fiecare dintre aceste tipuri de MOSFET-uri sunt prezentate în imaginea de mai jos.
principala diferență între modul de îmbunătățire MOSFET și modul de epuizare MOSFET este că în modul de epuizare, canalul este deja format, adică acționează ca un comutator normal închis (NC), iar în cazul modului de îmbunătățire, canalul nu este format inițial, adică un comutator normal deschis (NO).
structura MOSFET
structura unui MOSFET variază în funcție de aplicație, adică MOSFET-urile din tehnologia IC sunt destul de laterale, în timp ce structura MOSFET-urilor de putere este mai mult un canal vertical. Indiferent de aplicație, un MOSFET are practic trei terminale și anume poarta, scurgerea și sursa.
dacă luăm în considerare un MOSFET cu canal n, atât sursa, cât și scurgerea sunt alcătuite din tip n care stau într-un substrat de tip P.
de lucru a unui MOSFET
să încercăm acum să înțelegem cum funcționează un mod de îmbunătățire N-canal MOSFET. Pentru a transporta un curent de scurgere, ar trebui să existe un canal între regiunile de scurgere și sursă ale MOSFETULUI.
un canal este creat atunci când tensiunea dintre poarta și bornele sursă VGS este mai mare decât tensiunea de prag VTH.
când VGS> VTH, dispozitivul este declarat a fi în triodă (sau rezistență constantă) regiune sau regiune de saturație în funcție de tensiunea peste scurgere și sursa terminale VDS.
pentru orice VGS, dacă VDS< VGS – VTH, atunci dispozitivul se află în regiunea triodă (cunoscută și sub numele de rezistență constantă sau regiune liniară). Dacă VDS > VGS – VTH, atunci dispozitivul intră în regiunea de saturație.
când VGS< VTH, atunci dispozitivul este în stare off. Curentul porții în ambele regiuni de funcționare este foarte mic (aproape egal cu zero). Prin urmare, MOSFET este cunoscut sub numele de dispozitiv condus de tensiune.
curba caracteristicilor MOSFET
Imaginea de mai jos prezintă curba caracteristică a MOSFET în trei regiuni de funcționare. Acesta descrie ID-ul de curent de scurgere față de VDS de tensiune de scurgere la sursă pentru o poartă dată la VGS de tensiune sursă.
regiunile MOSFET de funcționare
pe baza funcționării menționate mai sus a unui MOSFET, se poate concluziona că un MOSFET are trei regiuni de funcționare. Acestea sunt:
- regiunea de separare
- Regiunea liniară (sau triodă)
- regiunea de saturație
un MOSFET funcționează în regiunea de separare atunci când VGS< VTH. În această regiune, MOSFET este în stare oprită, deoarece nu există un canal indus între scurgere și sursă.
pentru ca canalul să fie indus și MOSFET să funcționeze în regiune liniară sau de saturație, VGS> VTH.
tensiunea de polarizare Gate – Drain VGD va determina dacă MOSFET este în regiune liniară sau de saturație. În ambele regiuni, MOSFET este în stare ON, dar diferența este în regiune liniară, canalul este continuu și curentul de scurgere este proporțional cu rezistența canalului.
venind în regiunea de saturație, ca VDS> VGS – VTH, canalul se oprește, adică se lărgește, rezultând un curent de scurgere constant.
comutarea în electronică
comutarea semiconductorilor în circuitul electronic este unul dintre aspectele importante. Un dispozitiv semiconductor precum un BJT sau un MOSFET sunt în general operate ca comutatoare, adică sunt fie în stare pornită, fie în stare oprită.
caracteristicile comutatorului Ideal
pentru ca un dispozitiv semiconductor ca un MOSFET să acționeze ca un comutator ideal, acesta trebuie să aibă următoarele caracteristici:
- În timpul stării ON, nu ar trebui să existe nicio limită a cantității de curent pe care o poate transporta.
- în stare oprită, nu ar trebui să existe nicio limită a tensiunii de blocare.
- când dispozitivul este în stare ON, ar trebui să existe cădere de tensiune zero.
- rezistență de stat OFF ar trebui să fie infinit.
- viteza de funcționare a dispozitivului nu are limite.
caracteristici practice ale comutatorului
dar lumea nu este ideală și se aplică chiar și comutatoarelor noastre semiconductoare. Într-o situație practică, un dispozitiv semiconductor ca un MOSFET are următoarele caracteristici.
- În timpul stării ON, capacitățile de manipulare a puterii sunt limitate, adică. curent de conducere limitat. Tensiunea de blocare în timpul stării OFF este, de asemenea, limitată.
- finit porniți și opriți ori care limitează viteza de comutare. Frecvența maximă de funcționare este, de asemenea, limitată.
- când dispozitivul este pornit, va exista o rezistență finită la starea care rezultă într-o cădere de tensiune înainte. Va exista, de asemenea, o rezistență de stare finită care are ca rezultat un curent de scurgere inversă.
- un comutator practic experimentează pierderi de energie în timpul stării pornit, oprit și, de asemenea, în timpul stării de tranziție (pornit la Oprit sau oprit la Pornit).
funcționarea unui MOSFET ca comutator
Dacă ați înțelege funcționarea MOSFET și a regiunilor sale de funcționare, probabil ați fi ghicit cum funcționează un MOSFET ca comutator. Vom înțelege funcționarea unui MOSFET ca comutator luând în considerare un exemplu simplu de circuit.
acesta este un circuit simplu în care un mod de îmbunătățire a canalului n MOSFET va aprinde sau stinge o lumină. Pentru a opera un MOSFET ca comutator, acesta trebuie operat în regiunea cut-off și liniară (sau triodă).
Să presupunem că dispozitivul este inițial oprit. Tensiunea între poartă și sursă, adică VGS este pozitivă în mod corespunzător (tehnic vorbind, VGS > VTH), MOSFET intră în regiunea liniară și comutatorul este pornit. Acest lucru face ca lumina să se aprindă.
dacă tensiunea porții de intrare este 0V (sau tehnic< VTH), MOSFET intră în starea de întrerupere și se oprește. Aceasta, la rândul său, va face ca lumina să se stingă.
exemplu de MOSFET ca comutator
luați în considerare o situație în care doriți să controlați digital un LED de 12W (12V @ 1A) folosind un microcontroler. Când apăsați un buton conectat la microcontroler, LED-ul ar trebui să se aprindă. Când apăsați din nou același buton, LED-ul ar trebui să se stingă.
este evident că nu puteți controla direct LED-ul cu ajutorul microcontrolerului. Aveți nevoie de un dispozitiv care să acopere decalajul dintre microcontroler și LED.
acest dispozitiv ar trebui să preia un semnal de control de la microcontroler (de obicei tensiunea acestui semnal se află în domeniul de tensiune de lucru al microcontrolerului, de exemplu 5V) și să alimenteze LED-ul, care în acest caz este de la o alimentare de 12V.
dispozitivul pe care îl voi folosi este un MOSFET. Configurarea scenariului menționat mai sus este prezentată în următorul circuit.
când o logică 1 (presupunând un microcontroler de 5V, logica 1 este 5V și logica 0 este 0V) este furnizată la poarta MOSFET, se aprinde și permite curgerea curentului de scurgere. Ca urmare, LED-ul este pornit.
în mod similar, atunci când o logică 0 este dată porții MOSFETULUI, se oprește și, la rândul său, oprește LED-ul.
astfel, puteți controla digital un dispozitiv de mare putere cu combinația de microcontroler și MOSFET.
Notă importantă
un factor important de luat în considerare este disiparea puterii MOSFET-ului. Luați în considerare un MOSFET cu o rezistență de scurgere la sursă de 0,1 centi. În cazul de mai sus, adică un LED de 12W condus de o sursă de 12V va duce la un curent de scurgere de 1A.
prin urmare, puterea disipată de MOSFET este P = I2 * R = 1 * 0.1 = 0.1 W.
aceasta pare a fi o valoare scăzută, dar dacă conduceți un motor folosind același MOSFET, situația este ușor diferită. Curentul de pornire (numit și curent în grabă) al unui motor va fi foarte mare.
deci, chiar și cu RDS de 0,1 la sută, puterea disipată în timpul pornirii unui motor va fi în continuare semnificativ mare, ceea ce poate duce la suprasarcină termică. Prin urmare, RDS va fi un parametru cheie pentru a selecta un MOSFET pentru aplicația dvs.
De asemenea, atunci când conduceți un motor, EMF-ul din spate este un factor important care trebuie luat în considerare la proiectarea circuitului.
unul dintre principalele avantaje ale conducerii unui motor cu MOSFET este că un semnal PWM de intrare poate fi utilizat pentru a controla fără probleme viteza motorului.