Předtím jsme viděli, že N-kanálový MOSFET v režimu Enhancement (e-MOSFET) pracuje s kladným vstupním napětím a má extrémně vysoký vstupní odpor (téměř nekonečný), což umožňuje propojení s téměř jakýmkoli logickým hradlem nebo ovladačem schopným produkovat kladný výstup.
Viděli jsme také, že díky tomuto velmi vysokému vstupnímu odporu (brány) můžeme bezpečně paralelně zapojit mnoho různých MOSFETů, dokud nedosáhneme požadované kapacity zpracování proudu.
Přestože paralelní zapojení různých MOSFETů nám může umožnit spínat velké proudy nebo vysokonapěťové zátěže, stává se to nákladným a nepraktickým jak z hlediska součástek, tak z hlediska prostoru na desce plošných spojů. K překonání tohoto problému byly vyvinuty výkonové tranzistory s polním efektem neboli výkonové tranzistory FET.V
V současné době víme, že mezi tranzistory s polním efektem existují dva hlavní rozdíly, a to pouze depleční režim pro tranzistory JFET a jak zesilovací, tak depleční režim pro tranzistory MOSFET. V tomto kurzu se budeme zabývat použitím tranzistoru MOSFET v režimu zesílení jako spínače, protože tyto tranzistory vyžadují kladné napětí na hradle pro zapnutí „ON“ a nulové napětí pro vypnutí „OFF“, takže je lze snadno chápat jako spínače a také je lze snadno propojit s logickými hradly.
Provoz tranzistoru MOSFET v režimu zesílení neboli e-MOSFET lze nejlépe popsat pomocí jeho I-V charakteristik, které jsou uvedeny níže. Když je vstupní napětí, ( VIN ) na hradle tranzistoru nulové, MOSFET nevede prakticky žádný proud a výstupní napětí ( VOUT ) je rovno napájecímu napětí VDD. MOSFET je tedy „vypnutý“ a pracuje v oblasti „vypnutí“.
Křivky charakteristik MOSFET
Minimální napětí na hradle v zapnutém stavu potřebné k tomu, aby MOSFET zůstal „zapnutý“ při vedení zvoleného proudu odtokem, lze určit z výše uvedených křivek přenosu V-I. MOSFET je tedy „vypnutý“ a pracuje v oblasti „vypnutí“. Když je VIN VYSOKÝ nebo roven VDD, bod Q tranzistoru MOSFET se posune do bodu A podél zátěžového vedení.
Drainový proud ID se zvýší na maximální hodnotu v důsledku snížení odporu kanálu. ID se stává konstantní hodnotou nezávislou na VDD a závisí pouze na VGS. Tranzistor se tedy chová jako uzavřený spínač, ale odpor kanálu ON se vzhledem k jeho hodnotě RDS(on) nesníží úplně na nulu, ale velmi se zmenší.
Podobně, když je VIN NÍZKÝ nebo se sníží na nulu, bod Q tranzistoru MOSFET se přesune z bodu A do bodu B podél zatěžovací čáry. Odpor kanálu je velmi vysoký, takže tranzistor se chová jako otevřený obvod a kanálem neprotéká žádný proud. Pokud tedy napětí na hradle tranzistoru MOSFET přepíná mezi dvěma hodnotami, HIGH a LOW, bude se tranzistor MOSFET chovat jako polovodičový spínač „single-pole single-throw“ (SPST) a tato činnost je definována jako:
1. Oblast vypnutí
Zde jsou provozní podmínky tranzistoru nulové vstupní napětí hradla ( VIN ), nulový odtokový proud ID a výstupní napětí VDS = VDD. U tranzistoru MOSFET typu enhancement je tedy vodivý kanál uzavřen a zařízení je vypnuto „OFF“.
Vypínací charakteristika
 |
|
Při použití e-MOSFETu jako spínače můžeme definovat oblast vypnutí nebo „režim vypnutí“ takto, napětí na hradle, VGS < VTH tedy ID = 0. U MOSFETu s P-kanálovým zesílením musí být potenciál hradla vůči zdroji kladnější.
2. Oblast nasycení
V oblasti nasycení neboli lineární oblasti bude tranzistor předpjatý tak, že na zařízení bude přivedeno maximální množství napětí hradla, což povede k tomu, že odpor kanálu RDS(on bude co nejmenší, přičemž spínačem MOSFET bude protékat maximální proud drain. Proto je u zesilovacího typu MOSFET vodivý kanál otevřený a zařízení je spínáno „ON“.
Saturační charakteristiky
 |
|
Pak můžeme definovat oblast nasycení nebo „zapnutý režim“ při použití e-MOSFETu jako spínače jako napětí hradlo-zdroj, VGS > VTH tedy ID = max. U MOSFETu s P-kanálem vylepšení musí být potenciál hradla vůči zdroji zápornější.
Přivedením vhodného řídicího napětí na hradlo FETu lze měnit odpor kanálu drain-source, RDS(on), od „OFF-odporu“ mnoha stovek kΩ, což je fakticky otevřený obvod, až po „ON-odpor“ menší než 1Ω, který fakticky funguje jako zkrat.
Při použití MOSFETu jako spínače můžeme MOSFET řídit tak, aby se „zapínal“ rychleji nebo pomaleji nebo aby propouštěl vysoké nebo nízké proudy. Tato schopnost zapínat a vypínat výkonový tranzistor MOSFET umožňuje použít zařízení jako velmi účinný spínač s rychlostí spínání mnohem vyšší než u standardních tranzistorů s bipolárním přechodem.
Příklad použití tranzistoru MOSFET jako spínače
V tomto uspořádání obvodu se k zapínání a vypínání jednoduché lampy (mohla by to být také LED dioda) používá N-kanálový tranzistor MOSFET v režimu Enhancement.
Vstupní napětí hradla VGS je přivedeno na vhodnou kladnou úroveň napětí, aby se zařízení, a tedy i zátěž lampy, buď „zapnulo“, ( VGS = +ve ), nebo na nulovou úroveň napětí, která zařízení „vypne“, ( VGS = 0V ).
Pokud by odporová zátěž lampy byla nahrazena indukční zátěží, jako je cívka, solenoid nebo relé, byla by zapotřebí „setrvačníková dioda“ paralelně se zátěží, která by chránila MOSFET před jakýmkoli vlastním zpětným napětím.
Výše je uveden velmi jednoduchý obvod pro spínání odporové zátěže, jako je lampa nebo LED. Při použití výkonových tranzistorů MOSFET ke spínání indukčních nebo kapacitních zátěží je však nutná určitá forma ochrany, která zabrání poškození zařízení MOSFET. Řízení indukční zátěže má opačný účinek než řízení kapacitní zátěže.
Například kondenzátor bez elektrického náboje je zkrat, což má za následek vysoký „náběh“ proudu, a když odebereme napětí z indukční zátěže, dojde k velkému zpětnému nárůstu napětí, protože se zhroutí magnetické pole, což má za následek indukovaný zpětný ráz ve vinutí induktoru.
V následující tabulce můžeme shrnout spínací charakteristiky MOSFETu jak N-kanálového, tak P-kanálového typu.
| Typ MOSFET | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-.zesílení kanálu | OFF | OFF | ON |
| N-kanál vyčerpání | OFF | ON | ON |
| P-zesílení kanálu | ON | OFF | OFF |
| Vyčerpání P-kanálu | ON | ON | OFF |
Všimněte si, že na rozdíl od N-.kanálu MOSFET, jehož svorka hradla musí být kladnější (přitahuje elektrony) než zdroj, aby kanálem mohl protékat proud, je vedení proudu kanálem P MOSFET způsobeno tokem děr. To znamená, že svorka hradla P-kanálového MOSFETu musí být zápornější než zdroj a přestane vést (cut-off) pouze tehdy, když je hradlo kladnější než zdroj.
Aby tedy výkonový MOSFET typu enhancement fungoval jako analogové spínací zařízení, musí být přepínán mezi svou „Cut-off oblastí“, kde: VGS = 0V (nebo VGS = -ve) a jeho „oblastí nasycení“, kde: VGS(on) = +ve. Výkon rozptýlený v MOSFETu ( PD ) závisí na proudu protékajícím kanálem ID při nasycení a také na „zapínacím odporu“ kanálu, který je dán jako RDS(on). Příklad:
MOSFET jako spínač Příklad č. 1
Předpokládejme, že lampa má jmenovitý proud 6 V, 24 W a je plně „zapnutá“, standardní MOSFET má zapínací odpor kanálu ( RDS(on) ) o hodnotě 0,1 ohmu. Vypočítejte výkon rozptýlený ve spínacím zařízení MOSFET.
Proud protékající lampou se vypočítá jako:
Tedy výkon rozptýlený v MOSFETu bude dán jako:
Možná sedíte a říkáte si, no a co, ale při použití tranzistoru MOSFET jako spínače pro řízení stejnosměrných motorů nebo elektrických zátěží s vysokými rozběhovými proudy je velmi důležitý odpor kanálu „ON“ ( RDS(on) ) mezi drainem a zdrojem. Například tranzistory MOSFET, které řídí stejnosměrné motory, jsou vystaveny vysokému rozběhovému proudu, když se motor poprvé roztočí, protože rozběhový proud motorů je omezen pouze velmi nízkou hodnotou odporu vinutí motorů.
Jako základní výkonový vztah platí:
: P = I2R, pak by vysoká hodnota odporu kanálu RDS(on) jednoduše vedla k rozptýlení velkého množství energie a jejímu plýtvání v samotném tranzistoru MOSFET, což by mělo za následek nadměrný nárůst teploty, který by mohl, pokud by nebyl kontrolován, vést k velkému zahřátí tranzistoru MOSFET a jeho poškození v důsledku tepelného přetížení.
Nižší hodnota RDS(on) pro odpor kanálů je rovněž žádoucím parametrem, protože pomáhá snížit efektivní saturační napětí kanálů ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) na tranzistoru MOSFET, a proto bude pracovat při nižší teplotě. Výkonové tranzistory MOSFET mají obvykle hodnotu RDS(on) menší než 0,01Ω, což jim umožňuje pracovat chladněji, čímž se prodlužuje jejich provozní životnost.
Jedním z hlavních omezení při použití tranzistoru MOSFET jako spínacího zařízení je maximální proud drain, který může zvládnout. Proto je parametr RDS(on) důležitým vodítkem pro spínací účinnost tranzistoru MOSFET a udává se jednoduše jako poměr VDS / ID, když je tranzistor zapnutý.
Při použití tranzistoru MOSFET nebo jakéhokoli jiného typu tranzistoru jako polovodičového spínacího zařízení je vždy vhodné vybrat takové, které mají velmi nízkou hodnotu RDS(on), nebo je alespoň namontovat na vhodný chladič, aby se omezil případný tepelný únik a poškození. Výkonové tranzistory MOSFET používané jako spínače mají zpravidla v konstrukci zabudovanou ochranu proti přepětí, ale pro aplikace s velkým proudem je lepší volbou tranzistor s bipolárním přechodem.
Řízení motorů pomocí výkonových tranzistorů MOSFET
Vzhledem k extrémně vysokému vstupnímu odporu nebo odporu hradla, který tranzistory MOSFET mají, jejich velmi vysokým rychlostem spínání a snadnosti, s jakou je lze řídit, jsou ideální pro rozhraní s optickými zesilovači nebo standardními logickými hradly. Je však třeba dbát na správnou volbu vstupního napětí hradlo-zdroj, protože při použití MOSFETu jako spínače musí zařízení získat nízký odpor kanálu RDS(on) úměrný tomuto vstupnímu napětí hradla.
Nízkoprahový typ výkonových MOSFETů se nemusí „zapnout“, dokud na jeho hradlo není přivedeno alespoň 3 nebo 4 V, a pokud je výstup z logického hradla pouze +5 V logický, nemusí to stačit k plnému uvedení MOSFETu do saturace. K dispozici je použití nižších prahových hodnot tranzistorů MOSFET určených pro propojení s logickými hradly TTL a CMOS, které mají prahové hodnoty již od 1,5 V do 2,0 V.
Napájecí tranzistory MOSFET lze použít k řízení pohybu stejnosměrných motorů nebo bezkartáčových krokových motorů přímo z počítačové logiky nebo pomocí regulátorů typu PWM (pulse-width modulation). Protože stejnosměrný motor nabízí vysoký rozběhový moment, který je navíc úměrný proudu kotvy, lze spínače MOSFET spolu s PWM použít jako velmi dobrý regulátor otáček, který by zajistil plynulý a tichý chod motoru.
Jednoduchý výkonový regulátor motoru MOSFET
Jelikož je zátěž motoru induktivní, je přes induktivní zátěž připojena jednoduchá setrvačníková dioda, která odvádí případné zpětné emf generované motorem, když jej MOSFET „vypne“. Pro rychlejší spínání a lepší kontrolu špičkového zpětného napětí a doby poklesu lze také použít svorkovou síť tvořenou zenerovou diodou v sérii s diodou.
Pro větší bezpečnost lze při použití induktivních zátěží, jako jsou motory, relé, elektromagnety atd., umístit přes kanál spínače MOSFET také další křemíkovou nebo zenerovu diodu D1 pro potlačení přepěťových spínacích přechodových jevů a šumu, která v případě potřeby poskytuje spínači MOSFET dodatečnou ochranu. Rezistor RGS se používá jako pull-down rezistor, který pomáhá stáhnout výstupní napětí TTL na 0 V, když je MOSFET vypnut.
P-kanálový spínač MOSFET
Dosud jsme se zabývali N-kanálovým MOSFETem jako spínačem, kdy je MOSFET umístěn mezi zátěží a zemí. To také umožňuje, aby byl řídicí nebo spínací signál hradla MOSFETu vztažen k zemi (low-side switching).
P-channel
MOSFET Switch
V některých aplikacích však vyžadujeme použití P-channel enhancement-mode MOSFETu, kdy je zátěž připojena přímo k zemi. V tomto případě je spínač MOSFET připojen mezi zátěž a kladnou napájecí lištu (high-side spínání), stejně jako to děláme u tranzistorů PNP.
U P-kanálového zařízení je konvenční tok proudu drain v záporném směru, takže pro sepnutí tranzistoru „ON“ je přivedeno záporné napětí gate-source.
Toho je dosaženo tím, že P-kanálový MOSFET je „vzhůru nohama“ s jeho zdrojovou svorkou připojenou ke kladnému napájení +VDD. Když pak spínač přejde do polohy LOW, MOSFET se „zapne“, a když spínač přejde do polohy HIGH, MOSFET se „vypne“.
Toto obrácené zapojení P-kanálového spínače MOSFET s vylepšeným režimem nám umožňuje zapojit jej do série s N-kanálovým MOSFET s vylepšeným režimem a vytvořit komplementární nebo CMOS spínací zařízení, jak je znázorněno na obrázku přes dvojí napájení.
Komplementární řídicí jednotka motoru MOSFET
Dva tranzistory MOSFET jsou nakonfigurovány tak, aby vytvářely obousměrný spínač z dvojitého napájení s motorem připojeným mezi společné připojení drain a referenční zem. Když je vstupní napětí LOW, je P-kanálový MOSFET sepnutý, protože jeho přechod hradlo-zdroj je záporně předpjatý, takže se motor otáčí jedním směrem. K pohonu motoru se používá pouze kladná napájecí lišta +VDD.
Když je vstup HIGH, zařízení s P-kanálem se vypne a zařízení s N-kanálem se zapne, protože jeho přechod hradlo-zdroj je kladně předpjatý. Motor se nyní otáčí v opačném směru, protože svorkové napětí motorů bylo obráceno, protože je nyní napájen ze záporné napájecí lišty -VDD.
Poté se P-kanálový MOSFET používá k přepínání kladného napájení motoru pro směr vpřed (spínání na vysoké straně), zatímco N-kanálový MOSFET se používá k přepínání záporného napájení motoru pro směr vzad (spínání na nízké straně).
Existuje řada konfigurací pro řízení dvou MOSFETů s mnoha různými aplikacemi. Obě zařízení s P-kanálem a N-kanálem mohou být řízena jedním řídicím obvodem s hradlem, jak je znázorněno na obrázku.
Aby se však zabránilo křížovému vedení, kdy oba MOSFETy vedou současně přes obě polarity dvojího napájení, jsou zapotřebí rychlá spínací zařízení, která zajistí určitý časový rozdíl mezi jejich vypnutím a zapnutím druhého. Jedním ze způsobů, jak tento problém překonat, je řídit obě brány MOSFETS odděleně. To pak vytváří třetí možnost „STOP“ pro motor, když jsou oba MOSFETS „OFF“.
Komplementární tabulka řízení motoru MOSFET
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Funkce motoru |
| OFF | OFF | Motor zastaven (OFF) |
| ON | OFF | Motor se otáčí vpřed |
| OFF | ON | Motor se otáčí dozadu |
| ON | ON | NENÍ DOVOLENO |
Upozorňujeme, že je důležité, aby nebyla současně povolena žádná jiná kombinace vstupů, protože by mohlo dojít ke zkratu napájení, protože oba MOSFETy, FET1 a FET2, by mohly být „zapnuty“ společně, což by mělo za následek: (
.