Korábban láttuk, hogy az N-csatornás, Enhancement-mode MOSFET (e-MOSFET) pozitív bemeneti feszültséggel működik, és rendkívül nagy bemeneti ellenállással rendelkezik (szinte végtelen), így szinte bármilyen logikai kapuval vagy meghajtóval összekapcsolható, amely képes pozitív kimenetet létrehozni.
Azt is láttuk, hogy ennek a nagyon nagy bemeneti (kapu) ellenállásnak köszönhetően biztonságosan párhuzamosíthatunk sok különböző MOSFET-et, amíg el nem érjük a kívánt áramkezelési kapacitást.
Míg a különböző MOSFET-ek párhuzamos összekapcsolása lehetővé teheti számunkra nagy áramok vagy nagyfeszültségű terhelések kapcsolását, ez drágává és kivitelezhetetlenné válik mind az alkatrészek, mind az áramköri lap helyének tekintetében. Ennek a problémának a megoldására fejlesztették ki a Power Field Effect Transistors vagy Power FET-eket.V
Most már tudjuk, hogy a field effect tranzisztorok között két fő különbség van, a JFET-ek esetében csak a depletion-mód, a MOSFET-ek esetében pedig a enhancement-mód és a depletion-mód egyaránt. Ebben a bemutatóban az Enhancement-módú MOSFET kapcsolóként való használatát fogjuk megvizsgálni, mivel ezek a tranzisztorok pozitív kapufeszültséget igényelnek a “bekapcsoláshoz” és nulla feszültséget a “kikapcsoláshoz”, így könnyen érthetők kapcsolóként, és a logikai kapukkal is könnyen összekapcsolhatók.
A Enhancement-módú MOSFET vagy e-MOSFET működése az alább látható I-V jelleggörbéivel írható le a legjobban. Amikor a tranzisztor kapujának bemeneti feszültsége, ( VIN ) nulla, a MOSFET gyakorlatilag nem vezet áramot, és a kimeneti feszültség ( VOUT ) megegyezik a VDD tápfeszültséggel. A MOSFET tehát “OFF” állapotban van, és a “cut-off” tartományában működik.
MOSFET karakterisztikagörbék
A fenti V-I átviteli görbékből meghatározható a minimális ON-állapotú kapufeszültség, amely ahhoz szükséges, hogy a MOSFET “ON” maradjon, amikor a kiválasztott drain-áramot vezeti. Ha a VIN HIGH vagy egyenlő a VDD-vel, a MOSFET Q-pontja a terhelési vonal mentén az A pontba kerül.
A csatornaellenállás csökkenése miatt a lefolyóáram ID maximális értékére nő. Az ID a VDD-től független állandó értékké válik, és csak a VGS-től függ. Ezért a tranzisztor zárt kapcsolóként viselkedik, de a csatorna ON-ellenállása az RDS(on) értéke miatt nem csökken teljesen nullára, hanem nagyon kicsi lesz.
Hasonlóképpen, amikor VIN LOW vagy nullára csökken, a MOSFET Q-pontja az A pontból a B pontba mozog a terhelési vonal mentén. A csatorna ellenállása nagyon nagy, így a tranzisztor nyitott áramkörként viselkedik, és nem folyik áram a csatornán keresztül. Tehát ha a MOSFET kapufeszültsége két érték, HIGH és LOW között váltogat, a MOSFET “egypólusú, egyfordulós” (SPST) szilárdtest kapcsolóként viselkedik, és ez a művelet a következőképpen van meghatározva:
1. Cut-off régió
Itt a tranzisztor működési feltételei nulla bemeneti kapufeszültség ( VIN ), nulla drain-áram ID és VDS = VDD kimeneti feszültség. Ezért egy enhancement típusú MOSFET esetében a vezető csatorna zárva van, és az eszköz “KI” van kapcsolva.
Kikapcsolási jellemzők
 |
|
Az e-MOSFET kapcsolóként való használata esetén a cut-off régió vagy “OFF mód” a következő, kapufeszültség, VGS < VTH tehát ID = 0. Egy P-csatornás bővítő MOSFET esetében a kapu potenciáljának pozitívabbnak kell lennie a forráshoz képest.
2. Telítési régió
A telítési vagy lineáris régióban a tranzisztort úgy előfeszítik, hogy az eszközre a maximális kapufeszültséget alkalmazzák, ami azt eredményezi, hogy a csatornaellenállás RDS(on a lehető legkisebb, a MOSFET-kapcsolón átfolyó maximális drain-áram mellett. Ezért az enhancement típusú MOSFET esetében a vezető csatorna nyitott, és az eszköz “be van kapcsolva”.
Telítési jellemzők
 |
|
Az e-MOSFET kapcsolóként való használatakor a telítési tartományt vagy “ON üzemmódot” a kapuforrás feszültségeként, VGS > VTH így ID = Maximum. Egy P-csatornás bővítő MOSFET esetében a kapu potenciáljának negatívabbnak kell lennie a forráshoz képest.
Egy FET kapujára megfelelő meghajtófeszültséget alkalmazva a drain-source csatorna ellenállása, RDS(on) a sok száz kΩ-os “OFF-ellenállástól”, ami gyakorlatilag egy nyitott áramkör, az 1Ω-nál kisebb “ON-ellenállásig” változtatható, ami gyakorlatilag rövidzárlatként működik.
A MOSFET kapcsolóként való használatakor a MOSFET-et úgy vezethetjük, hogy gyorsabban vagy lassabban “bekapcsoljon”, vagy nagy vagy kis áramot engedjen át. Ez a képesség, hogy a teljesítmény-MOSFET-et “BE” és “KI” kapcsolhatjuk, lehetővé teszi, hogy az eszközt nagyon hatékony kapcsolóként használjuk, amelynek kapcsolási sebessége sokkal gyorsabb, mint a hagyományos bipoláris csomóponti tranzisztoroké.
Egy példa a MOSFET kapcsolóként való használatára
Ebben az áramköri elrendezésben egy Enhancement-módú N-csatornás MOSFET-et használunk egy egyszerű lámpa “BE” és “KI” kapcsolására (lehet akár egy LED is).
A VGS kapu bemeneti feszültséget megfelelő pozitív feszültségszintre viszik, hogy az eszközt és így a lámpa terhelését vagy “ON”-ra, ( VGS = +ve ) vagy egy nulla feszültségszintre, amely az eszközt “OFF”-ra, ( VGS = 0V ) kapcsolja.
Ha a lámpa ellenállásos terhelését induktív terheléssel, például tekerccsel, szolenoiddal vagy relével kellene helyettesíteni, akkor a terheléssel párhuzamosan egy “lendkerékdiódára” lenne szükség, hogy megvédje a MOSFET-et az öngenerált ellen-emf-től.
A fentiekben egy nagyon egyszerű áramkör látható egy ellenállásos terhelés, például egy lámpa vagy LED kapcsolására. De amikor a teljesítmény MOSFET-eket induktív vagy kapacitív terhelések kapcsolására használják, valamilyen védelemre van szükség, hogy megakadályozzák a MOSFET eszköz károsodását. Az induktív terhelés meghajtása ellentétes hatást vált ki, mint a kapacitív terhelés meghajtása.
Egy elektromos töltés nélküli kondenzátor például rövidzárlatot képez, ami nagy “bemeneti” áramot eredményez, és amikor megszüntetjük a feszültséget egy induktív terhelésről, nagy fordított feszültség épül fel, mivel a mágneses mező összeomlik, ami indukált ellenáramot eredményez az induktor tekercseiben.
Az alábbi táblázatban összefoglalhatjuk az N-csatornás és a P-csatornás típusú MOSFET kapcsolási jellemzőit.
| MOSFET típus | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 | |
| N-csatorna Enhancement | OFF | OFF | ON | |
| N-csatorna Depletion | OFF | ON | ON | ON |
| P-csatorna fokozása | ON | OFF | OFF | |
| P-csatorna kimerülés | ON | ON | ON | OFF |
Megjegyezzük, hogy ellentétben az N-csatornás MOSFET-tel, amelynek kapukapocsát pozitívabbá (elektronokat vonzóvá) kell tenni, mint a forrást, hogy áram folyhasson a csatornán keresztül, a P-csatornás MOSFET-en keresztüli vezetés a lyukak áramlásának köszönhető. Vagyis a P-csatornás MOSFET kapu terminálját negatívabbá kell tenni, mint a forrást, és csak addig nem vezet (cut-off), amíg a kapu nem lesz pozitívabb, mint a forrás.
Az Enhancement típusú teljesítmény-MOSFET analóg kapcsolószerkezetként való működéséhez tehát a “Cut-off régió” között kell kapcsolni, ahol: VGS = 0V (vagy VGS = -ve) és a “telítési tartomány” között, ahol: VGS = 0V (vagy VGS = -ve): VGS(on) = +ve. A MOSFET-ben ( PD ) disszipált teljesítmény függ a telítéskor a csatorna ID-n átfolyó áramtól és a csatorna “ON-ellenállásától”, amelyet RDS(on) értékként adunk meg. Például:
MOSFET mint kapcsoló Példa No1
Tegyük fel, hogy a lámpa 6V, 24W névleges teljesítményű és teljesen “ON”, a szabványos MOSFET-nek a csatorna bekapcsolási ellenállása ( RDS(on) ) értéke 0,1ohm. Számítsuk ki a MOSFET kapcsolóeszközben disszipált teljesítményt.
A lámpán átfolyó áram kiszámítása:
Ezután a MOSFET-ben disszipált teljesítmény a következő lesz:
Az Ön talán ott ül és azt gondolja, hogy na és?! de amikor a MOSFET-et kapcsolóként használjuk egyenáramú motorok vagy nagy bemeneti áramokkal rendelkező elektromos terhelések vezérlésére, a csatorna “ON” ellenállása ( RDS(on) ) a lefolyó és a forrás között nagyon fontos. Például az egyenáramú motorokat vezérlő MOSFET-ek nagy bemeneti áramnak vannak kitéve, amikor a motor először kezd forogni, mivel a motorok indítási áramát csak a motor tekercselésének nagyon alacsony ellenállási értéke korlátozza.
Az alapvető teljesítménykapcsolat a következő: P = I2R, akkor egy magas RDS(on) csatornaellenállás érték egyszerűen azt eredményezné, hogy nagy mennyiségű energia disszipálódna és pazarolódna magában a MOSFET-ben, ami túlzott hőmérséklet-emelkedést eredményezne, ami ha nem szabályozzák, akkor a MOSFET nagyon felforrósodhat és megsérülhet a termikus túlterhelés miatt.
A csatornaellenállás alacsonyabb RDS(on) értéke szintén kívánatos paraméter, mivel segít csökkenteni a csatornák effektív telítési feszültségét ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) a MOSFET-en, és ezért hűvösebb hőmérsékleten fog működni. A teljesítmény MOSFET-ek általában 0,01Ω-nál kisebb RDS(on) értékkel rendelkeznek, ami lehetővé teszi számukra, hogy hűvösebb üzemmódban működjenek, ami meghosszabbítja működési élettartamukat.
A MOSFET kapcsolóeszközként való használatának egyik fő korlátja az általa kezelhető maximális drain-áram. Így az RDS(on) paraméter fontos útmutató a MOSFET kapcsolási hatékonyságához, és egyszerűen a VDS / ID arányaként van megadva, amikor a tranzisztor “ON” állapotban van.
A MOSFET vagy bármilyen típusú mezőhatású tranzisztor szilárdtest kapcsolóeszközként való használatakor mindig ajánlatos olyanokat választani, amelyeknek nagyon alacsony az RDS(on) értéke, vagy legalábbis megfelelő hűtőbordára szerelni őket, hogy segítsen csökkenteni a termikus elszabadulást és a károsodást. A kapcsolóként használt teljesítmény-MOSFET-ek általában túlfeszültség-védelemmel rendelkeznek a kialakításukban, de a nagyáramú alkalmazásokhoz a bipoláris csomóponti tranzisztor jobb választás.
Teljesítmény-MOSFET motorvezérlés
A MOSFET rendkívül magas bemeneti vagy kapuellenállása miatt a nagyon gyors kapcsolási sebesség és a könnyű meghajtásuk miatt ideálisak az op-ampokkal vagy a szabványos logikai kapukkal való interfészhez. Ügyelni kell azonban arra, hogy a kapu-forrás bemeneti feszültséget helyesen válasszuk meg, mert a MOSFET kapcsolóként való használatakor az eszköznek alacsony RDS(on) csatornaellenállást kell elérnie ehhez a bemeneti kapufeszültséghez viszonyítva.
Az alacsony küszöbértékű típusú teljesítmény-MOSFET-ek nem kapcsolnak “ON”, amíg legalább 3V vagy 4V nem kerül a kapujára, és ha a logikai kapu kimenete csak +5V logikai feszültségű, akkor ez nem elegendő a MOSFET teljes telítésbe hajtásához. A TTL és CMOS logikai kapukhoz való kapcsolódásra tervezett alacsonyabb küszöbértékű MOSFET-ek használata, amelyek küszöbértéke akár 1,5V-2,0V is lehet.
A teljesítmény MOSFET-ek felhasználhatók egyenáramú motorok vagy kefe nélküli léptetőmotorok mozgásának vezérlésére közvetlenül a számítógépes logikából vagy impulzusszélesség-modulációs (PWM) típusú vezérlők használatával. Mivel az egyenáramú motor nagy indítási nyomatékot kínál, és amely szintén arányos az armatúra árammal, a MOSFET kapcsolók a PWM-mel együtt nagyon jó sebességszabályozóként használhatók, amelyek sima és csendes motorüzemet biztosítanának.
Egyszerű teljesítményű MOSFET motorvezérlő
Mivel a motorterhelés induktív, egy egyszerű lendkerékdióda van csatlakoztatva az induktív terhelésen keresztül, hogy elvezesse a motor által generált ellenáramot, amikor a MOSFET “KI” kapcsolja azt. A diódával sorba kapcsolt zenerdióda által alkotott szorítóhálózat is használható a gyorsabb kapcsolás, valamint a csúcsfordító feszültség és a kiesési idő jobb szabályozása érdekében.
A további biztonság érdekében egy további D1 szilícium- vagy zenerdióda is elhelyezhető a MOSFET kapcsoló csatornáján, ha induktív terhelést használunk, például motorokat, reléket, szolenoidokat stb. a túlfeszültségi kapcsolási tranziensek és a zaj elnyomására, amely szükség esetén extra védelmet nyújt a MOSFET kapcsolónak. Az RGS ellenállást pull-down ellenállásként használják, hogy segítsen lehúzni a TTL kimeneti feszültséget 0V-ra, amikor a MOSFET “OFF” kapcsolva van.
P-csatornás MOSFET kapcsoló
Eddig az N-csatornás MOSFET-et mint kapcsolót vizsgáltuk, ahol a MOSFET a terhelés és a föld közé kerül. Ez azt is lehetővé teszi, hogy a MOSFET kapu meghajtó- vagy kapcsolójelét a földre vonatkoztassuk (low-side kapcsolás).
P-csatornás
MOSFET kapcsoló
De egyes alkalmazásokban szükség van a P-csatornás enhancement-mode MOSFET használatára, ahol a terhelés közvetlenül a földre van kötve. Ebben az esetben a MOSFET-kapcsolót a terhelés és a pozitív tápsín közé kapcsoljuk (high-side kapcsolás), ahogyan a PNP-tranzisztoroknál tesszük.
A P-csatornás eszközben a hagyományos lefolyóáram folyása negatív irányú, így a tranzisztor “ON” kapcsolásához negatív gate-source feszültséget kell alkalmazni.
Ez azért érhető el, mert a P-csatornás MOSFET “fejjel lefelé” van, a forráspólusát a pozitív tápfeszültséghez +VDD-hez kötve. Ekkor, amikor a kapcsoló LOW-ra megy, a MOSFET “ON” kapcsol, és amikor a kapcsoló HIGH-ra megy, a MOSFET “OFF” kapcsol.
A P-csatornás bővítési módú MOSFET kapcsolónak ez a fejjel lefelé történő kapcsolása lehetővé teszi, hogy sorba kapcsoljuk egy N-csatornás bővítési módú MOSFET-tel, hogy egy komplementer vagy CMOS kapcsolóeszközt hozzunk létre, amint az a kettős tápellátáson keresztül látható.
Komplementer MOSFET motorvezérlő
A két MOSFET úgy van konfigurálva, hogy kétirányú kapcsolót hozzon létre egy kettős tápellátásból, ahol a motor a közös drain-kapcsolat és a földreferencia közé van kötve. Amikor a bemenet LOW, a P-csatornás MOSFET bekapcsol, mivel a kapu-forrás csomópontja negatívan előfeszített, így a motor az egyik irányba forog. A motor meghajtására csak a pozitív +VDD tápsín használható.
Ha a bemenet HIGH, a P-csatornás eszköz kikapcsol, az N-csatornás eszköz pedig bekapcsol, mivel a kapu-forrás átmenet pozitívan előfeszített. A motor most az ellenkező irányba forog, mivel a motorok kapocsfeszültsége megfordult, mivel most a negatív -VDD tápsín táplálja.
Azután a P-csatornás MOSFET-et a motor pozitív tápfeszültségének előreirányú kapcsolására (high-side kapcsolás), míg az N-csatornás MOSFET-et a motor negatív tápfeszültségének fordított irányú kapcsolására (low-side kapcsolás) használják.
A két MOSFET meghajtására számos konfiguráció létezik, sokféle alkalmazással. Mind a P-csatornás, mind az N-csatornás eszközöket meg lehet hajtani egyetlen kapu meghajtó IC-vel, ahogy az ábrán látható.
A keresztvezetés elkerülése érdekében azonban, amikor mindkét MOSFET egyszerre vezet a kettős tápellátás két polaritásán, gyors kapcsolóeszközökre van szükség, hogy némi időkülönbség legyen a “KI” és a másik “BE” kapcsolása között. E probléma leküzdésének egyik módja a két MOSFETS kapu külön-külön történő meghajtása. Ez aztán egy harmadik “STOP” lehetőséget eredményez a motor számára, amikor mindkét MOSFETS “OFF”.
Kiegészítő MOSFET motorvezérlési táblázat
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Motor funkció |
| OFF | OFF | Motor leállt (OFF) |
| ON | OFF | Motor forog előre |
| OFF | ON | Motor visszafelé forog |
| ON | ON | NEM ENGEDÉLYEZETT |
Figyelem, fontos, hogy egyidejűleg nem engedélyezett más bemeneti kombináció, mivel ez a tápegység rövidzárlatát okozhatja, mivel mindkét MOSFETS, a FET1 és a FET2 együttesen “ON” kapcsolható, ami a következőket eredményezheti: ( biztosíték = bumm! ), figyelmeztetés.
