Näimme aiemmin, että N-kanavainen Enhancement-mode MOSFET (e-MOSFET) toimii positiivisella syöttöjännitteellä ja sillä on erittäin suuri syöttövastus (lähes ääretön), mikä mahdollistaa liitännän lähes mihin tahansa logiikkaporttiin tai ajuriin, joka kykenee tuottamaan positiivisen lähdön.
Havaitsimme myös, että tämän erittäin korkean tulo- (portti-) resistanssin ansiosta voimme turvallisesti rinnakkaistaa monia eri MOSFETS:iä, kunnes saavutamme tarvitsemamme virrankäsittelykapasiteetin.
Vaikka useiden MOSFETS:ien kytkeminen toisiinsa rinnakkain voi mahdollistaa suurten virtojen tai suurjännitteisten kuormien kytkemisen, siitä tulee kallista ja epäkäytännöllistä sekä komponenttien että piirilevytilan suhteen. Tämän ongelman ratkaisemiseksi kehitettiin tehokenttäefektitransistorit eli Power FET:t. V
Me tiedämme nyt, että kenttäefektitransistoreiden välillä on kaksi pääasiallista eroa, depletion-mode vain JFET:ille ja sekä enhancement-mode että depletion-mode MOSFET:ille. Tässä opetusohjelmassa tarkastelemme Enhancement-moodin MOSFETin käyttöä kytkimenä, koska nämä transistorit vaativat positiivisen porttijännitteen kytkeytyäkseen ”PÄÄLLE” ja nollajännitteen kytkeytyäkseen ”POIS”, mikä tekee niistä helposti ymmärrettäviä kytkiminä ja myös helppoja liittää logiikkaportteihin.
Enhancement-moodin MOSFET:n eli e-MOSFET:n toimintaa voidaan parhaiten kuvata sen I-V-ominaiskäyrillä, jotka on esitetty alla. Kun transistorin portin tulojännite ( VIN ) on nolla, MOSFET ei johda käytännössä lainkaan virtaa ja lähtöjännite ( VOUT ) on yhtä suuri kuin syöttöjännite VDD. MOSFET on siis ”OFF”, joka toimii sen ”cut-off”-alueella.
MOSFETin ominaiskäyrät
Minimi ON-tilan porttijännite, joka tarvitaan sen varmistamiseksi, että MOSFET pysyy ”ON”-tilassa, kun se kuljettaa valittua tyhjennysvirtaa, on määritettävissä edellä esitetyistä V-I-siirtokäyristä. Kun VIN on HIGH tai yhtä suuri kuin VDD, MOSFETin Q-piste siirtyy kuormituslinjan varrella pisteeseen A.
Drainvirta ID kasvaa maksimiarvoonsa kanavaresistanssin pienenemisen vuoksi. ID:stä tulee VDD:stä riippumaton vakioarvo, ja se riippuu vain VGS:stä. Näin ollen transistori käyttäytyy kuin suljettu kytkin, mutta kanavan ON-vastus ei pienene täysin nollaan sen RDS(on)-arvon vuoksi, vaan muuttuu hyvin pieneksi.
Niin ikään, kun VIN on LOW tai pienenee nollaan, MOSFETin Q-piste siirtyy pisteestä A pisteeseen B kuormituslinjan varrella. Kanavaresistanssi on hyvin suuri, joten transistori toimii kuin avoin piiri eikä kanavan läpi kulje virtaa. Joten jos MOSFETin porttijännite vaihtelee kahden arvon, HIGH ja LOW, välillä, MOSFET käyttäytyy ”yksinapaisen yksisuuntaisen” (SPST) puolijohdekytkimen tavoin, ja tämä toiminta on määritelty seuraavasti:
1. Katkaisualue
Tässä transistorin toimintaolosuhteet ovat nollatulon porttijännite ( VIN ), nollan tyhjennysvirta ID ja lähtöjännite VDS = VDD. Näin ollen tehostustyyppisen MOSFETin johtava kanava on suljettu ja laite on kytketty ”OFF”.
Katkaisuominaisuudet
 |
|
Voidaan siis määritellä katkaisualue tai ”OFF-tila” käytettäessä e-MOSFET:iä kytkimenä seuraavasti, porttijännite, VGS < VTH siis ID = 0. P-kanavaisen parannus-MOSFET:n tapauksessa porttipotentiaalin on oltava positiivisempi lähteen suhteen.
2. Kyllästymisalue
Kyllästymis- tai lineaarisella alueella transistori jännitetään siten, että laitteeseen syötetään suurin mahdollinen määrä porttijännitettä, mikä johtaa siihen, että kanavaresistanssi RDS(on) on mahdollisimman pieni, jolloin suurin tyhjennysvirtavirta virtaa MOSFET-kytkimen läpi. Näin ollen parannustyyppisessä MOSFET:ssä johtava kanava on auki ja laite on kytketty ”päälle”.
Kyllästysominaisuudet
 |
|
Tällöin voimme määritellä kyllästymisalueen tai ”ON-tilan” käyttäessämme e-MOSFET:iä kytkimenä portti-lähdejännitteellä, VGS > VTH näin ollen ID = maksimi. P-kanavaisen parannus-MOSFET:n tapauksessa porttipotentiaalin on oltava negatiivisempi lähteen suhteen.
Sovittamalla sopiva ajojännite FET:n porttiin, tyhjennys-lähdekanavan resistanssia, RDS(on), voidaan vaihdella monien satojen kΩ:n ”OFF-resistanssista”, joka on käytännössä avoin piiri, alle 1Ω:n ”ON-resistanssiin”, joka toimii käytännössä oikosulkuna.
Käyttäessämme MOSFETiä kytkimenä voimme ajaa MOSFETiä kytkeytymään ”päälle” nopeammin tai hitaammin tai kuljettamaan suuria tai pieniä virtoja. Tämä kyky kääntää teho-MOSFET ”PÄÄLLE” ja ”POIS” mahdollistaa sen, että laitetta voidaan käyttää erittäin tehokkaana kytkimenä, jonka kytkentänopeudet ovat paljon nopeampia kuin tavallisilla bipolaariliitäntätransistoreilla.
Esimerkki MOSFETin käyttämisestä kytkimenä
Tässä virtapiirijärjestelyssä Enhancement-moodin N-kanavaista MOSFET:iä käytetään kytkemään yksinkertaista lamppua ”PÄÄLLE” ja ”POIS”/”POIS”-vaihtoehtoonsa (se voisi olla myös LED).
Gate-tulojännite VGS viedään sopivalle positiiviselle jännitetasolle, jotta laite ja siten lamppukuormitus kytkeytyvät joko ”PÄÄLLE”, ( VGS = +ve ) tai nollajännitetasolle, joka kytkee laitteen ”POIS”, ( VGS = 0V ).
Jos lampun resistiivinen kuorma korvattaisiin induktiivisella kuormalla, kuten kelalla, solenoidilla tai releellä, tarvittaisiin ”vauhtipyörä-diodi” rinnakkain kuorman kanssa suojaamaan MOSFET:iä itsestään syntyvältä vastapainerasitukselta.
Yllä on esitetty hyvin yksinkertainen virtapiiri resistiivisen kuorman, kuten lampun tai LED:n, kytkemiseksi. Mutta kun käytetään teho-MOSFETeja kytkemään joko induktiivisia tai kapasitiivisia kuormia, tarvitaan jonkinlainen suojaus, joka estää MOSFET-laitteen vaurioitumisen. Induktiivisen kuorman ajamisella on päinvastainen vaikutus kuin kapasitiivisen kuorman ajamisella.
Kondensaattori, jossa ei ole sähkövarausta, on esimerkiksi oikosulku, mikä johtaa suureen virran ”sisäänvirtaukseen”, ja kun poistamme jännitteen induktiiviselta kuormalta, syntyy suuri käänteisjännite, kun magneettikenttä luhistuu, mikä johtaa indusoituneeseen vastapainetehoon (back-emf) induktorin käämityksessä.
Voidaankin seuraavassa taulukossa esittää yhteenveto sekä N- kanavaisen että P- kanavaisen tyyppisen MOSFET:n kytkentäominaisuuksista.
| MOSFET-tyyppi | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 | |
| N-channel Enhancement | OFF | OFF | ON | |
| N-kanava Depletion | OFF | ON | ON | ON |
| P-kanavan vahvistuminen | ON | OFF | OFF | |
| P-kanavan ehtyminen | ON | ON | ON | OFF |
Huomattakoon, että toisin kuin N-kanavaisesta MOSFET:stä, jonka porttipääte on tehtävä positiivisemmaksi (elektroneja puoleensa vetäväksi) kuin lähde, jotta virta voisi virrata kanavan läpi, johtuminen P-kanavaisen MOSFETin läpi johtuu reikien virtauksesta. Toisin sanoen P-kanavaisen MOSFETin porttipääte on tehtävä negatiivisemmaksi kuin lähde, ja se lakkaa johtamasta (cut-off) vasta sitten, kun portti on positiivisempi kuin lähde.
Jotta tehostustyyppinen teho-MOSFET toimisi analogisena kytkentälaitteena, se on kytkettävä sen ”Cut-off-alueen” välillä, jossa: VGS = 0V (tai VGS = -ve) ja sen ”kyllästymisalueen” välillä, jossa: VGS(on) = +ve. MOSFET:ssä häviävä teho ( PD ) riippuu kanavan ID:n läpi kulkevasta virrasta saturaatiossa ja myös kanavan ”ON-resistanssista”, joka on RDS(on). Esimerkiksi:
MOSFET kytkimenä Esimerkki No1
Oletetaan, että lampun nimellisarvo on 6v, 24W ja se on täysin ”päällä”, vakiomallisella MOSFET:llä on kanavan päälläolovastus ( RDS(on) ) arvo 0,1ohm. Lasketaan MOSFET-kytkentälaitteessa haihtuva teho.
Lampun läpi kulkeva virta lasketaan seuraavasti:
Tällöin MOSFET:ssä haihtuva teho saadaan seuraavasti:
Voi olla, että istutte miettimässä, että no entäs sitten…! mutta käytettäessä MOSFETiä kytkimenä ohjaamaan tasavirtamoottoreita tai sähkökuormia, joissa on suuria syöksyvirtoja, ”ON”-kanavaresistanssi ( RDS(on) ) tyhjennyksen ja lähteen välillä on erittäin tärkeä. Esimerkiksi MOSFETit, jotka ohjaavat tasavirtamoottoreita, altistuvat suurelle käynnistysvirralle, kun moottori alkaa ensimmäisen kerran pyöriä, koska moottorin käynnistysvirtaa rajoittaa vain moottorin käämien hyvin pieni vastusarvo.
Koska perustehosuhde on: P = I2R, niin suuri RDS(on)-kanavan vastusarvo johtaisi yksinkertaisesti siihen, että suuri määrä tehoa haihtuisi ja tuhlaantuisi itse MOSFETin sisällä, mikä johtaisi liialliseen lämpötilan nousuun, joka, jos sitä ei valvota, voisi johtaa siihen, että MOSFET kuumenisi ja vaurioituisi termisen ylikuormituksen vuoksi.
Kanavaresistanssin alhaisempi RDS(on) -arvo on myös toivottava parametri, koska se auttaa vähentämään kanavien tehollista kyllästysjännitettä ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) MOSFETin yli ja toimii siten viileämmässä lämpötilassa. Teho-MOSFETien RDS(on)-arvo on yleensä alle 0,01Ω, minkä ansiosta ne toimivat viileämmin, mikä pidentää niiden käyttöikää.
Yksi tärkeimmistä rajoituksista, kun MOSFETiä käytetään kytkentälaitteena, on suurin tyhjennysvirta, jota se voi käsitellä. Niinpä RDS(on) -parametri on tärkeä opas MOSFETin kytkentätehokkuudelle, ja se ilmoitetaan yksinkertaisesti VDS / ID:n suhteena, kun transistori on kytketty ”ON”.
Käytettäessä MOSFETiä tai mitä tahansa kenttäefektitransistoria kiinteän tilan kytkentälaitteena on aina suositeltavaa valita sellaisia, joilla on hyvin alhainen RDS(on)-arvo, tai ainakin asentaa ne sopivaan jäähdytyslevyyn mahdollisten lämpökaatumisten ja -vaurioiden vähentämiseksi. Kytkimenä käytetyissä teho-MOSFETeissä on yleensä sisäänrakennettu ylivirtasuojaus, mutta suurivirtaisiin sovelluksiin bipolaarinen liitostransistori on parempi valinta.
Teho-MOSFET-moottorinohjaus
MOSFETin erittäin korkean tulo- tai porttiresistanssin vuoksi sen erittäin nopeat kytkentänopeudet ja helppous, jolla niitä voidaan ohjata, tekevät niistä ihanteellisen liitännän operaatiovahvistimiin (op-ampeereihin) tai tavallisiin logiikkaportteihin. On kuitenkin huolehdittava siitä, että porttilähteen tulojännite valitaan oikein, koska käytettäessä MOSFETiä kytkimenä laitteen on saatava alhainen RDS(on)-kanavaresistanssi suhteessa tähän tulon porttijännitteeseen.
Matalan kynnyksen tyyppiset teho-MOSFETit eivät välttämättä kytkeydy ”päälle”, ennen kuin sen porttiin on syötetty vähintään 3 tai 4 V, ja jos logiikkaportin ulostulon logiikkajännite on vain +5 V logiikkajännite, se voi olla riittämätön, jotta se voisi ohjata MOSFET:in täysin kyllästyneeseen tilaan. Saatavilla on alhaisemman kynnyksen MOSFETejä, jotka on suunniteltu liitettäväksi TTL- ja CMOS-logiikkaportteihin, joiden kynnykset ovat niinkin alhaiset kuin 1,5-2,0 V.
TehomOSFETeillä voidaan ohjata tasavirtamoottoreiden tai harjattomien askelmoottoreiden liikettä suoraan tietokoneen logiikalla tai käyttämällä PWM-tyyppisiä (pulssinleveysmodulaatio) ohjaimia. Koska tasavirtamoottori tarjoaa suuren käynnistysmomentin, joka on myös verrannollinen ankkurivirtaan, MOSFET-kytkimiä yhdessä PWM:n kanssa voidaan käyttää erittäin hyvänä nopeudensäätimenä, joka tarjoaa tasaisen ja hiljaisen moottorin toiminnan.
Yksinkertainen teho-MOSFET-moottorinohjain
Koska moottorin kuorma on induktiivinen, induktiivisen kuorman poikki on kytketty yksinkertainen vauhtipyörädiodi, joka haihduttaa moottorin tuottaman vastamielisen emf:n moottorin kytkeytyessä MOSFET:llä ”OFF”. Diodin kanssa sarjassa olevan zener-diodin muodostamaa puristusverkkoa voidaan myös käyttää nopeamman kytkennän ja paremman käänteisen huippujännitteen ja pudotusajan hallinnan mahdollistamiseksi.
Lisäturvallisuuden lisäämiseksi voidaan MOSFET-kytkimen kanavan poikki sijoittaa myös ylimääräinen pii- tai zener-diodi D1 käytettäessä induktiivista kuormaa, kuten moottoreita, releitä, solenoideja jne. ylijännitteisten kytkentätransienttien ja -kohinan vaimentamiseksi, mikä antaa lisäsuojaa MOSFET-kytkijälle, jos sitä tarvitaan. Vastusta RGS käytetään pull-down-vastuksena, joka auttaa vetämään TTL-lähtöjännitteen alas 0V:iin, kun MOSFET kytketään ”OFF”.
P-kanavainen MOSFET-kytkin
Tähän mennessä olemme tarkastelleet N-kanavaista MOSFETiä kytkimenä, jossa MOSFET on sijoitettu kuorman ja maan väliin. Tämä mahdollistaa myös sen, että MOSFETin portin ajo- tai kytkentäsignaali voidaan viitata maahan (low-side-kytkentä).
P-kanavainen
MOSFET-kytkin
Mutta joissakin sovelluksissa edellytämme P-kanavaisen enhancement-moodin MOSFETin käyttöä, jossa kuorma on kytketty suoraan maahan. Tässä tapauksessa MOSFET-kytkin kytketään kuorman ja positiivisen syöttökiskon väliin (high-side-kytkentä), kuten teemme PNP-transistoreiden kanssa.
P-kanavaisessa laitteessa perinteinen tyhjennysvirran virtaus on negatiiviseen suuntaan, joten negatiivinen portti-lähdejännite kytketään transistorin kytkemiseksi ”PÄÄLLE”.
Tämä saavutetaan, koska P-kanavainen MOSFET-ransistori on ”nurin päin” siten, että sen lähdeliitäntä on kytketty positiiviseen syöttöjännitteeseen (+VDD). Sitten kun kytkin menee LOW, MOSFET kytkeytyy ”ON” ja kun kytkin menee HIGH, MOSFET kytkeytyy ”OFF”.
Tämä P-kanavaisen parannustilan MOSFET-kytkimen ylösalaisin kytkentä mahdollistaa sen kytkemisen sarjaan N-kanavaisen parannustilan MOSFET:n kanssa komplementaarisen tai CMOS-kytkentäisen kytkentälaitteen aikaansaamiseksi, kuten kuvassa on esitetty kaksoissyötön yli.
Komplementaarinen MOSFET-moottorinohjain
Kaksi MOSFETiä on konfiguroitu tuottamaan kaksisuuntainen kytkin kaksoissyötöstä, jossa moottori on kytketty yhteisen tyhjennysliitännän ja maavertailun väliin. Kun tulo on LOW, P-kanavainen MOSFET kytkeytyy päälle, koska sen portti-lähdeliitos on negatiivisesti jännitetty, joten moottori pyörii yhteen suuntaan. Moottorin käyttämiseen käytetään vain positiivista +VDD-syöttökiskoa.
Kun tulo on HIGH, P-kanavainen laite kytkeytyy pois päältä ja N-kanavainen laite kytkeytyy päälle, koska sen portti-lähdeliitos on positiivisesti jännitetty. Moottori pyörii nyt vastakkaiseen suuntaan, koska moottorin pääjännite on käännetty, koska sitä syötetään nyt negatiivisesta -VDD-syöttökiskosta.
Tällöin P-kanavaista MOSFET:iä käytetään kytkemään moottorin positiivinen syöttö eteenpäin (high-side-kytkentä), kun taas N-kanavaista MOSFET:iä käytetään kytkemään moottorin negatiivinen syöttö vastakkaiseen suuntaan (low-side-kytkentä).
Kahden MOSFET:ien ohjaamiseen on olemassa useita erilaisia konfiguraatioita, joissa on monia erilaisia sovelluksia. Sekä P-kanavaisia että N-kanavaisia laitteita voidaan ohjata yhdellä porttiohjaus-IC:llä, kuten kuvassa on esitetty.
Välttääksemme kuitenkin ristijohtumisen, kun molemmat MOSFETS:t johtavat samanaikaisesti kaksoissyötön molempien polariteettien yli, tarvitaan nopeita kytkentälaitteita, jotka tarjoavat jonkinlaisen aikaeron sen välillä, että ne kytkeytyvät pois päältä (OFF) ja toinen kytkeytyy päälle (ON). Yksi tapa ratkaista tämä ongelma on ohjata molempia MOSFETS-portteja erikseen. Näin moottorille saadaan kolmas vaihtoehto ”STOP”, kun molemmat MOSFETS-portit ovat ”OFF”.
Komplementaarinen MOSFET-moottorin ohjaustaulukko
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Moottorin toiminta |
| OFF | OFF | Moottori pysähtynyt (OFF) |
| ON | OFF | MOOTTORI PYÖRITTYNYT ETEENPÄIN |
| OFF | ON | Moottori pyörii taaksepäin |
| ON | ON | NOT ALLOWED |
Huomioi, että on tärkeää, että muita tuloyhdistelmiä ei sallita samanaikaisesti, koska se voi aiheuttaa virtalähteen oikosulun, koska molemmat MOSFETSit, FET1 ja FET2, voivat kytkeytyä ”ON” yhdessä, mikä johtaa: ( sulake = pamahtaa! ), varoitetaan.
