i denna handledning kommer vi att lära oss om hur en MOSFET fungerar som en omkopplare. I MOSFET-handledningen har vi sett grunderna i en MOSFET, dess typer, struktur och några få tillämpningar av MOSFET också.
en av de viktiga tillämpningarna av MOSFET inom kraftelektronik är att den kan konfigureras som en enkel analog omkopplare. Med hjälp av sådana analoga omkopplare kan digitala system styra flödet av signaler i analoga kretsar.
innan jag går in på detaljer om hur en MOSFET fungerar som en switch, låt mig ta dig igenom en sammanfattning av grunderna i en MOSFET, dess verksamhetsregioner, intern struktur etc.
för mer information om MOSFET, läs”MOSFET Tutorial”.
kontur
introduktion till MOSFET
en MOSFET-eller Metalloxidhalvledarfälteffekttransistor, till skillnad från en bipolär Junction Transistor (BJT) är en unipolär enhet i den meningen att den endast använder majoritetsbärarna i ledningen.
det är en typ av fälteffekttransistor med en isolerad Grind från kanalen (därav kallas ibland som isolerad Grind FET eller IGFET) och spänningen vid grindterminalen bestämmer konduktiviteten.på tal om terminaler är en MOSFET vanligtvis en 3-terminalanordning, som är Grind (G), källa (er) och avlopp (D) (även om det finns en 4: e terminal som kallas substrat eller kropp, används den vanligtvis inte i ingångs-eller utgångsanslutning).
MOSFET-Symbol
MOSFET kan klassificeras i Förbättringstyp MOSFET och Utarmningstyp MOSFET. Var och en av dessa typer är vidare indelade i n-kanal MOSFET och p-kanal MOSFET.
symbolerna för var och en av dessa typer av MOSFET visas i bilden nedan.
huvudskillnaden mellan Förbättringsläge MOSFET och Utarmningsläge MOSFET är att i uttömningsläge är kanalen redan bildad, dvs den fungerar som en normalt stängd (NC) – omkopplare och vid förbättringsläge bildas kanalen inte initialt, dvs en Normalt öppen (NO) – omkopplare.
MOSFET-struktur
strukturen hos en MOSFET varierar beroende på applikationen, dvs MOSFET i IC-tekniken är ganska lateral medan strukturen hos Power MOSFET är mer av en vertikal kanal. Oavsett tillämpning har en MOSFET i princip tre terminaler, nämligen Grind, avlopp och källa.
om vi betraktar en n-kanal MOSFET består både källan och avloppet av n-typ som sitter i ett substrat av p-typ.
arbeta med en MOSFET
låt oss nu försöka förstå hur ett n-Kanalförbättringsläge MOSFET fungerar. För att kunna bära en avloppsström bör det finnas en kanal mellan avlopps-och källregionerna i MOSFET.
en kanal skapas när spänningen mellan gate och källterminaler VGS är större än tröskelspänningen VTH.
När VGS > VTH, sägs enheten vara i triod (eller konstant motstånd) region eller mättnadsregion beroende på spänningen över avlopps-och källterminaler VDS.
för alla VGS, om VDS < VGS – VTH, är enheten i triodregion (även känd som konstant motstånd eller linjär region). Om VDS > VGS – VTH, går enheten in i mättnadsregionen.
När VGS < VTH, är enheten i avstängt läge. Portströmmen i båda verksamhetsområdena är mycket mindre (nästan lika med noll). Därför är MOSFET känd som Spänningsdriven enhet.
MOSFET-Egenskapskurva
bilden nedan visar den karakteristiska kurvan för MOSFET i tre verksamhetsområden. Den visar Avloppsström-ID kontra avlopp till Källspänning VDS för en given Grind till Källspänning VGS.
MOSFET-verksamhetsområden
baserat på ovan nämnda bearbetning av en MOSFET kan man dra slutsatsen att en MOSFET har tre verksamhetsområden. De är:
- Cut-off Region
- linjär (eller triod) Region
- Mättnadsregion
en MOSFET fungerar i cut-off region när VGS< VTH. I denna region är MOSFET i avstängt tillstånd eftersom det inte finns någon kanal inducerad mellan avlopp och källa.
för kanalen som ska induceras och MOSFET ska fungera i antingen linjär eller mättnadsregion, vgs > VTH.
Gate-Drain bias voltage VGD kommer att avgöra om MOSFET är i linjär eller mättnadsregion. I båda dessa regioner är MOSFET i ON-tillstånd men skillnaden är i linjär region, kanalen är kontinuerlig och avloppsströmmen är proportionell mot kanalens motstånd.
kommer till mättnadsregionen, som VDS > VGS – VTH, klämmer kanalen av, dvs breddar vilket resulterar i en konstant Dräneringsström.
omkoppling i Elektronik
Halvledaromkoppling i elektronisk krets är en av de viktiga aspekterna. En halvledaranordning som en BJT eller en MOSFET drivs vanligtvis som omkopplare, dvs de är antingen i ON-tillstånd eller i OFF-tillstånd.
Ideal Switch Characteristics
för att en halvledaranordning som en MOSFET ska fungera som en ideal switch måste den ha följande funktioner:
- Under på-tillstånd bör det inte finnas någon gräns för hur mycket ström den kan bära.
- i avstängt tillstånd bör det inte finnas någon gräns för blockeringsspänningen.
- när enheten är i ON-läge bör det finnas noll spänningsfall.
- off-tillståndsmotståndet bör vara oändligt.
- enhetens driftshastighet har inga gränser.
praktiska Switch egenskaper
men världen är inte idealisk och den är tillämplig även på våra halvledarbrytare. I en praktisk situation har en halvledaranordning som en MOSFET följande egenskaper.
- under på-läge är effekthanteringsfunktionerna begränsade, dvs. begränsad ledningsström. Blockeringsspänningen under avstängt tillstånd är också begränsad.
- ändlig slå på och stäng av tider som begränsar växlingshastigheten. Maximal driftsfrekvens är också begränsad.
- när enheten är på kommer det att finnas ett ändligt tillståndsmotstånd vilket resulterar i ett framåtspänningsfall. Det kommer också att finnas ett ändligt off-tillståndsmotstånd vilket resulterar i en omvänd Läckström.
- en praktisk omkopplare upplever strömförluster under på-tillstånd, av-tillstånd och även under övergångstillståndet (på till av eller av till på).
arbeta av en MOSFET som en omkopplare
om du förstod MOSFET och dess verksamhetsområden, skulle du antagligen ha gissat hur en MOSFET fungerar som en omkopplare. Vi kommer att förstå driften av en MOSFET som en omkopplare genom att överväga en enkel exempelkrets.
detta är en enkel krets där ett n-Kanalförbättringsläge MOSFET slår på eller stänger av en lampa. För att kunna använda en MOSFET som omkopplare måste den manövreras i cut-off och linjär (eller triod) region.
Antag att enheten är avstängd från början. Spänningen över porten och källan, dvs VGS, görs på lämpligt sätt positivt (tekniskt sett VGS > VTH), MOSFET går in i linjär region och strömbrytaren är på. Detta gör att ljuset tänds.
om ingångsspänningen är 0V (eller tekniskt < VTH), går MOSFET in i avstängningsläge och stängs av. Detta kommer i sin tur att göra att ljuset stängs av.
exempel på MOSFET som omkopplare
Tänk på en situation där du digitalt vill styra en 12W LED (12V @ 1A) med en mikrokontroller. När du trycker på en knapp som är ansluten till mikrokontroller ska lysdioden slås på. När du trycker på samma knapp igen ska lysdioden stängas av.
det är uppenbart att du inte direkt kan styra lysdioden med hjälp av mikrokontroller. Du behöver en enhet som överbryggar klyftan mellan mikrokontroller och LED.
denna enhet ska ta in en styrsignal från mikrokontroller (vanligtvis är spänningen för denna signal i mikrokontrollerns arbetsspänningsområde, till exempel 5V) och mata ström till LED, som i detta fall är från en 12V-matning.
enheten som jag ska använda är en MOSFET. Inställningen av ovan nämnda scenario visas i följande krets.
När en logik 1 (förutsatt en 5V mikrokontroller, logik 1 är 5V och logik 0 är 0V) matas till porten på MOSFET, slås den på och låter avloppsströmmen flöda. Som ett resultat slås lysdioden på.
På samma sätt, när en logik 0 ges till MOSFET-porten, stängs den av och i sin tur stänger av lysdioden.
Således kan du digitalt styra en högeffektsenhet med kombinationen av mikrokontroller och MOSFET.
viktig anmärkning
en viktig faktor att tänka på är MOSFET: s strömavledning. Tänk på en MOSFET med ett avlopp till Källmotstånd på 0,1 kg. I ovanstående fall, dvs en 12W-LED som drivs av en 12V-tillförsel, leder till en avloppsström på 1A.
därför är effekten som släpps ut av MOSFET P = I2 * R = 1 * 0.1 = 0.1 W.
detta verkar vara ett lågt värde men om du kör en motor med samma MOSFET är situationen något annorlunda. Startströmmen (även kallad in-rush ström) av en motor kommer att vara mycket hög.
så, även med RDS på 0,1 kg, kommer effekten som släpps ut under start av en motor fortfarande att vara betydligt hög, vilket kan leda till termisk överbelastning. Därför kommer RDS att vara en nyckelparameter för att välja en MOSFET för din applikation.
även vid körning av en motor är den bakre emf en viktig faktor som måste beaktas vid utformningen av kretsen.
en av de största fördelarna med att köra en motor med MOSFET är att en ingång PWM-signal kan användas för att smidigt styra motorns hastighet.