Vi så tidligere, at N-kanals Enhancement-mode MOSFET (e-MOSFET) fungerer ved hjælp af en positiv indgangsspænding og har en ekstremt høj indgangsmodstand (næsten uendelig), hvilket gør det muligt at forbinde den med næsten enhver logisk gate eller driver, der er i stand til at producere et positivt output.
Vi så også, at vi på grund af denne meget høje indgangsmodstand (gate-modstand) roligt kan parallelkoble mange forskellige MOSFETS, indtil vi opnår den strømhåndteringskapacitet, som vi havde brug for.
Selv om vi ved at parallelkoble forskellige MOSFETS kan få mulighed for at skifte høje strømme eller højspændingsbelastninger, bliver det dyrt og upraktisk både med hensyn til komponenter og plads på printpladerne. For at løse dette problem blev der udviklet Power Field Effect Transistors eller Power FET’er.V
Vi ved nu, at der er to hovedforskelle mellem felteffekttransistorer, nemlig kun depletion-mode for JFET’er og både enhancement-mode og depletion-mode for MOSFET’er. I denne tutorial vil vi se på brugen af Enhancement-mode MOSFET’en som switch, da disse transistorer kræver en positiv gate-spænding for at slå “ON” og en nulspænding for at slå “OFF”, hvilket gør dem let forståelige som switches og også lette at forbinde med logiske gates.
Driften af Enhancement-mode MOSFET’en, eller e-MOSFET’en, kan bedst beskrives ved hjælp af dens I-V-karakteristikkurver, der er vist nedenfor. Når indgangsspændingen ( VIN ) til transistorens gate er nul, leder MOSFET’en praktisk talt ingen strøm, og udgangsspændingen ( VOUT ) er lig med forsyningsspændingen VDD. MOSFET’en er altså “OFF” og opererer inden for sit “cut-off”-område.
MOSFET-karakteristikkurver
Den mindste gate-spænding i ON-tilstand, der kræves for at sikre, at MOSFET’en forbliver “ON”, når den fører den valgte drænstrøm, kan bestemmes ud fra V-I-overførselskurverne ovenfor. Når VIN er HØJ eller lig med VDD, flytter MOSFET’ens Q-punkt sig til punkt A langs belastningslinjen.
Drainstrømmen ID stiger til sin maksimale værdi på grund af en reduktion i kanalmodstanden. ID bliver en konstant værdi uafhængig af VDD og er kun afhængig af VGS. Derfor opfører transistoren sig som en lukket afbryder, men kanalens ON-modstand reduceres ikke helt til nul på grund af dens RDS(on)-værdi, men bliver meget lille.
Sådan er det også, når VIN er LOW eller reduceret til nul, at MOSFET’ens Q-punkt bevæger sig fra punkt A til punkt B langs belastningslinjen. Kanalmodstanden er meget høj, så transistoren fungerer som et åbent kredsløb, og der løber ingen strøm gennem kanalen. Så hvis MOSFET’ens gatespænding skifter mellem to værdier, HIGH og LOW, vil MOSFET’en opføre sig som en “single-pole single-throw” (SPST) solid state switch, og denne handling er defineret som:
1. Cut-off-region
Her er transistorens driftsbetingelser nul input gate-spænding ( VIN ), nul drænstrøm ID og udgangsspænding VDS = VDD. For en MOSFET af forstærkningstypen er den ledende kanal derfor lukket, og enheden er slået “OFF”.
Cut-off karakteristik
 |
|
Så kan vi definere cut-off-regionen eller “OFF-tilstanden”, når vi bruger en e-MOSFET som switch, som værende, gatespænding, VGS < VTH således ID = 0. For en P-kanalforbedrings-MOSFET skal gatepotentialet være mere positivt i forhold til Source.
2. Mætningsområde
I mætningsområdet eller det lineære område vil transistoren blive polariseret således, at den maksimale mængde gate-spænding påføres enheden, hvilket resulterer i, at kanalmodstanden RDS(on er så lille som muligt med maksimal drænstrøm, der flyder gennem MOSFET-switchen. For MOSFET’en af forstærkningstypen er den ledende kanal derfor åben, og enheden er tændt (ON).
Saturationskarakteristik
 |
|
Så kan vi definere mætningsområdet eller “ON-tilstanden”, når vi bruger en e-MOSFET som switch, som gate-source-spænding, VGS > VTH således ID = Maks. For en P-kanalforbedrings-MOSFET skal gatepotentialet være mere negativt i forhold til kilden.
Ved påføring af en passende drevspænding på en FET’s gate kan modstanden i dræn-kilde-kanalen, RDS(on), varieres fra en “OFF-modstand” på mange hundrede kΩ, som reelt er et åbent kredsløb, til en “ON-modstand” på mindre end 1Ω, som reelt fungerer som en kortslutning.
Når vi bruger MOSFET’en som afbryder, kan vi drive MOSFET’en til at slå “ON” hurtigere eller langsommere, eller lade høje eller lave strømme passere. Denne evne til at slå power-MOSFET’en “ON” og “OFF” gør det muligt at bruge enheden som en meget effektiv switch med skiftehastigheder, der er meget hurtigere end standard bipolære junction-transistorer.
Et eksempel på brug af MOSFET’en som switch
I dette kredsløbsarrangement bruges en Enhancement-mode N-kanals MOSFET til at skifte en simpel lampe “ON” og “OFF” (kunne også være en LED).
Gateindgangsspændingen VGS bringes til et passende positivt spændingsniveau for at slå enheden og dermed lampeforbruget enten “ON”, ( VGS = +ve ) eller på et nulspændingsniveau, der slår enheden “OFF”, ( VGS = 0V ).
Hvis lampens resistive belastning skulle erstattes af en induktiv belastning som f.eks. en spole, en solenoide eller et relæ, ville der være behov for en “svinghjulsdiode” parallelt med belastningen for at beskytte MOSFET’en mod enhver selvgenereret back-emf.
Ovenfor er vist et meget simpelt kredsløb til at skifte en resistiv belastning som f.eks. en lampe eller en LED. Men når der anvendes effekt-MOSFET’er til at skifte enten induktive eller kapacitive belastninger, er der behov for en vis form for beskyttelse for at forhindre, at MOSFET-enheden bliver beskadiget. At drive en induktiv belastning har den modsatte virkning af at drive en kapacitiv belastning.
For eksempel er en kondensator uden elektrisk ladning en kortslutning, hvilket resulterer i en høj “indstrømning” af strøm, og når vi fjerner spændingen fra en induktiv belastning, får vi en stor omvendt spænding opbygget, da magnetfeltet kollapser, hvilket resulterer i en induceret back-emf i induktorens viklinger.
Så kan vi opsummere koblingsegenskaberne for både N-kanals og P-kanals MOSFET-typen i følgende tabel.
| MOSFET Type | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 | |
| N-kanalforstærkning | OFF | OFF | ON | |
| N-kanal udtynding | OFF | ON | ON | ON |
| P-kanalforstærkning | ON | OFF | OFF | |
| P-kanaludtømning | ON | ON | ON | OFF |
Opmærksomheden henledes på, at i modsætning til N-kanal-MOSFET, hvis gate-terminal skal gøres mere positiv (tiltrække elektroner) end kilden for at tillade, at strømmen kan flyde gennem kanalen, skyldes ledningen gennem P-kanal-MOSFET’en, at der strømmer huller. Det vil sige, at gate-terminalen i en P-kanal-MOSFET skal gøres mere negativ end kilden og vil kun holde op med at lede (cut-off), indtil gaten er mere positiv end kilden.
Så for at en effekt-MOSFET af forstærkningstypen kan fungere som en analog koblingsanordning, skal den skiftes mellem dens “Cut-off-region”, hvor: VGS = 0V (eller VGS = -ve) og dens “mætningsområde”, hvor: VGS(on) = +ve. Den effekt, der udledes i MOSFET’en ( PD ), afhænger af den strøm, der løber gennem kanal-ID ved mætning, og også af kanalens “ON-modstand”, der angives som RDS(on). For eksempel.
MOSFET som switch Eksempel nr. 1
Lad os antage, at lampen er normeret til 6v, 24W og er fuldt “tændt”, standard-MOSFET’en har en kanal-on-modstand ( RDS(on) ) værdi på 0,1 ohm. Beregn den effekt, der tabes i MOSFET-koblingsenheden.
Den strøm, der løber gennem lampen, beregnes som:
Da vil den effekt, der tabes i MOSFET’en, være givet som:
Du sidder måske og tænker, ja, hvad så!, men når man bruger MOSFET’en som afbryder til at styre jævnstrømsmotorer eller elektriske belastninger med høje indkoblingsstrømme, er “ON”-kanalmodstanden ( RDS(on) ) mellem drænet og kilden meget vigtig. F.eks. er MOSFET’er, der styrer jævnstrømsmotorer, udsat for en høj indløbsstrøm, når motoren først begynder at rotere, fordi motorens startstrøm kun er begrænset af den meget lave modstandsværdi af motorens viklinger.
Som det grundlæggende effektforhold er: P = I2R, vil en høj RDS(on)-kanalmodstandsværdi ganske enkelt resultere i, at store mængder strøm går tabt og spildes i selve MOSFET’en, hvilket resulterer i en overdreven temperaturstigning, som, hvis den ikke kontrolleres, kan resultere i, at MOSFET’en bliver meget varm og beskadiget på grund af en termisk overbelastning.
En lavere RDS(on)-værdi for kanalmodstanden er også en ønskelig parameter, da den er med til at reducere kanalens effektive mætningsspænding ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) over MOSFET’en og vil derfor fungere ved en køligere temperatur. Power-MOSFET’er har generelt en RDS(on)-værdi på mindre end 0,01Ω, hvilket gør det muligt for dem at køre køligere, hvilket forlænger deres driftslevetid.
En af de vigtigste begrænsninger, når man bruger en MOSFET som koblingsenhed, er den maksimale drænstrøm, den kan håndtere. Så RDS(on)-parameteren er en vigtig rettesnor for MOSFET’ens koblingseffektivitet og angives ganske enkelt som forholdet mellem VDS / ID, når transistoren er koblet “ON”.
Når man bruger en MOSFET eller en hvilken som helst type felteffekttransistor for den sags skyld som faststofskoblingsenhed, er det altid tilrådeligt at vælge dem, der har en meget lav RDS(on)-værdi, eller i det mindste montere dem på en passende køleplade for at hjælpe med at reducere eventuel termisk løb og skader. Power MOSFET’er, der anvendes som switch, har generelt overspændingsstrømsbeskyttelse indbygget i deres design, men til højstrømsanvendelser er bipolær junction transistor et bedre valg.
Power MOSFET Motorstyring
På grund af den ekstremt høje indgangs- eller gate-modstand, som MOSFET’en har, er dens meget hurtige skiftehastigheder og den lethed, hvormed de kan drives, gør dem ideelle til grænseflade med op-amps eller standard logiske gates. Man skal dog være omhyggelig med at sikre, at gate-source-indgangsspændingen er valgt korrekt, for når MOSFET’en anvendes som switch, skal enheden opnå en lav RDS(on)-kanalmodstand i forhold til denne input-gate-spænding.
Power-MOSFET’er af typen med lav tærskel kan ikke skifte “ON”, før der er tilført mindst 3V eller 4V til dens gate, og hvis output fra logikgaten kun er +5V logik, kan det være utilstrækkeligt til fuldt ud at drive MOSFET’en til mætning. Der findes MOSFET’er med lavere tærskelværdi, der er beregnet til grænseflade med TTL- og CMOS-logikgates, som har tærskelværdier så lave som 1,5V til 2,0V.
Power MOSFET’er kan anvendes til at styre bevægelsen af jævnstrømsmotorer eller børsteløse stepmotorer direkte fra computerlogik eller ved hjælp af PWM-kontrollere (pulse-width modulation). Da en jævnstrømsmotor har et højt startmoment, som også er proportionalt med ankerstrømmen, kan MOSFET-switche sammen med en PWM anvendes som en meget god hastighedsregulator, der vil give en jævn og støjsvag motordrift.
Enkle Power MOSFET-motorstyring
Da motorbelastningen er induktiv, er en simpel svinghjulsdiode tilsluttet på tværs af den induktive belastning for at bortlede enhver modemf, der genereres af motoren, når MOSFET’en slår den “OFF”. Et klemmenetværk dannet af en zenerdiode i serie med dioden kan også anvendes for at muliggøre hurtigere omskiftning og bedre styring af spidsspændingen i omvendt retning og udfaldstiden.
For ekstra sikkerhed kan der også placeres en ekstra silicium- eller zenerdiode D1 på tværs af kanalen i en MOSFET-switch, når der anvendes induktive belastninger, såsom motorer, relæer, solenoider osv. for at undertrykke overspændingsomskiftningstransienter og støj, hvilket giver ekstra beskyttelse af MOSFET-switchen, hvis det er påkrævet. Modstanden RGS anvendes som pull-down-modstand for at hjælpe med at trække TTL-udgangsspændingen ned til 0 V, når MOSFET’en er slået fra.
P-kanals MOSFET-switch
Så langt har vi set på N-kanals MOSFET’en som switch, hvor MOSFET’en er placeret mellem belastningen og jorden. Dette giver også mulighed for, at MOSFET’ens gate-drev eller switching-signal kan refereres til jorden (low-side switching).
P-kanal
MOSFET switch
Men i nogle anvendelser kræver vi brug af P-kanal Enhancement-mode MOSFET, hvor belastningen er forbundet direkte til jorden. I dette tilfælde er MOSFET-switchen forbundet mellem belastningen og den positive forsyningsskinne (high-side switching), som vi gør det med PNP-transistorer.
I en P-kanals enhed er den konventionelle flow af drænstrøm i den negative retning, så en negativ gate-source-spænding påføres for at skifte transistoren “ON”.
Dette opnås, fordi P-kanals-MOSFET’en er “på hovedet” med sin source-terminal bundet til den positive forsyning +VDD. Så når kontakten går LOW, slår MOSFET’en “ON”, og når kontakten går HIGH, slår MOSFET’en “OFF”.
Denne omvendte tilslutning af en P-kanals Enhancement Mode MOSFET-switch gør det muligt at forbinde den i serie med en N-kanals Enhancement Mode MOSFET for at fremstille en komplementær eller CMOS-koblingsenhed som vist over en dobbeltforsyning.
Komplementær MOSFET-motorstyring
De to MOSFET’er er konfigureret til at producere en tovejskontakt fra en dobbelt forsyning med motoren tilsluttet mellem den fælles drænforbindelse og jordreferencen. Når indgangen er LOW, er P-kanal-MOSFET’en tændt, da dens gate-source-forbindelse er negativt forspændt, så motoren roterer i den ene retning. Kun den positive +VDD-forsyningsskinne bruges til at drive motoren.
Når indgangen er HIGH, slår P-kanalenheden fra, og N-kanalenheden slår til, da dens gate-kildeforbindelse er positivt forspændt. Motoren roterer nu i den modsatte retning, fordi motorens terminalspænding er blevet omvendt, da den nu forsynes af den negative -VDD-forsyningsskinne.
Derpå anvendes P-kanal-MOSFET’en til at skifte den positive forsyning til motoren i fremadgående retning (high-side switching), mens N-kanal-MOSFET’en anvendes til at skifte den negative forsyning til motoren i omvendt retning (low-side switching).
Der findes en række forskellige konfigurationer til at drive de to MOSFET’er med mange forskellige anvendelsesmuligheder. Både P-kanal- og N-kanal-enhederne kan drives af et enkelt gate-drive-IC som vist.
For at undgå krydsledning med begge MOSFETS, der leder på samme tid på tværs af de to polariteter i den dobbelte forsyning, er der imidlertid brug for hurtige koblingsenheder for at give en vis tidsforskel mellem, at de slår “OFF” og den anden slår “ON”. En måde at løse dette problem på er at drive begge MOSFETS-gates separat. Dette giver så en tredje mulighed for at give motoren “STOP”, når begge MOSFETS er “OFF”.
Komplementær MOSFET-motorstyringstabel
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Motorfunktion |
| OFF | OFF | Motor stoppet (OFF) |
| ON | OFF | Motor roterer fremad |
| OFF | ON | Motor roterer baglæns |
| ON | ON | NOT ALLOWED |
Bemærk, at det er vigtigt, at der ikke er tilladt andre kombinationer af indgange på samme tid, da dette kan medføre, at strømforsyningen kortsluttes, da begge MOSFETS, FET1 og FET2 kan blive koblet “ON” sammen, hvilket resulterer i: ( sikring = bang! ), vær advaret.
