Abbiamo visto in precedenza che il MOSFET a canale N in modalità Enhancement (e-MOSFET) funziona utilizzando una tensione di ingresso positiva e ha una resistenza di ingresso estremamente elevata (quasi infinita) che lo rende possibile interfacciarsi con quasi tutti i gate logici o driver in grado di produrre un’uscita positiva.
Abbiamo anche visto che a causa di questa altissima resistenza di ingresso (Gate) possiamo tranquillamente mettere in parallelo molti MOSFETS diversi fino a raggiungere la capacità di gestione della corrente che abbiamo richiesto.
Mentre collegare insieme vari MOSFETS in parallelo può permetterci di commutare correnti elevate o carichi ad alta tensione, così facendo diventa costoso e poco pratico sia in termini di componenti che di spazio sul circuito. Per superare questo problema sono stati sviluppati i transistor ad effetto di campo o FET di potenza. V
Ora sappiamo che ci sono due differenze principali tra i transistor ad effetto di campo, solo la modalità di esaurimento per i JFET e sia la modalità di miglioramento che quella di esaurimento per i MOSFET. In questo tutorial esamineremo l’uso del MOSFET in modalità di potenziamento come interruttore in quanto questi transistor richiedono una tensione di gate positiva per accendersi e una tensione nulla per spegnersi, il che li rende facilmente comprensibili come interruttori e anche facili da interfacciare con porte logiche.
Il funzionamento del MOSFET in modalità di potenziamento, o e-MOSFET, può essere meglio descritto utilizzando le sue curve caratteristiche I-V mostrate di seguito. Quando la tensione di ingresso ( VIN ) al gate del transistor è zero, il MOSFET non conduce praticamente nessuna corrente e la tensione di uscita ( VOUT ) è uguale alla tensione di alimentazione VDD. Quindi il MOSFET è “OFF” e opera nella sua regione di “cut-off”.
Curve caratteristiche del MOSFET
La minima tensione di gate in stato ON richiesta per assicurare che il MOSFET rimanga “ON” quando trasporta la corrente di drenaggio selezionata può essere determinata dalle curve di trasferimento V-I sopra riportate. Quando VIN è ALTO o uguale a VDD, il punto Q del MOSFET si sposta nel punto A lungo la linea di carico.
La corrente di drenaggio ID aumenta al suo valore massimo a causa di una riduzione della resistenza di canale. ID diventa un valore costante indipendente da VDD, e dipende solo da VGS. Pertanto, il transistor si comporta come un interruttore chiuso, ma la resistenza di canale ON non si riduce completamente a zero a causa del suo valore RDS(on), ma diventa molto piccola.
Parimenti, quando VIN è BASSO o ridotto a zero, il punto Q del MOSFET si sposta dal punto A al punto B lungo la linea di carico. La resistenza di canale è molto alta quindi il transistor si comporta come un circuito aperto e nessuna corrente scorre attraverso il canale. Quindi, se la tensione di gate del MOSFET oscilla tra due valori, HIGH e LOW, il MOSFET si comporta come un interruttore a stato solido “single-pole single-throw” (SPST) e questa azione è definita come:
1. Regione di cut-off
Qui le condizioni di funzionamento del transistor sono: zero tensione di gate in ingresso ( VIN ), zero corrente di drenaggio ID e tensione di uscita VDS = VDD. Quindi per un MOSFET di tipo enhancement il canale conduttivo è chiuso e il dispositivo è commutato “OFF”.
Caratteristiche di spegnimento
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Poi possiamo definire la regione di cut-off o “modalità OFF” quando si utilizza un e-MOSFET come un interruttore, tensione di gate, VGS < VTH quindi ID = 0. Per un MOSFET a canale P, il potenziale di gate deve essere più positivo rispetto alla sorgente.
2. Regione di saturazione
Nella regione di saturazione o lineare, il transistor sarà polarizzato in modo che la massima quantità di tensione di gate sia applicata al dispositivo che risulta nella resistenza di canale RDS(on che è la più piccola possibile con la massima corrente di scarico che scorre attraverso l’interruttore MOSFET. Quindi per il MOSFET di tipo enhancement il canale conduttivo è aperto e il dispositivo è commutato “ON”.
Caratteristiche di saturazione
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Poi possiamo definire la regione di saturazione o “modalità ON” quando si usa un e-MOSFET come interruttore come tensione gate-source, VGS > VTH quindi ID = Massimo. Per un MOSFET a canale P, il potenziale del gate deve essere più negativo rispetto alla sorgente.
Applicando una tensione di pilotaggio adatta al gate di un FET, la resistenza del canale drenaggio-risorsa, RDS(on) può essere variata da una “resistenza OFF” di molte centinaia di kΩ, effettivamente un circuito aperto, a una “resistenza ON” di meno di 1Ω, effettivamente agendo come un corto circuito.
Quando si usa il MOSFET come interruttore, possiamo pilotare il MOSFET perché si accenda più velocemente o più lentamente, o perché passi correnti alte o basse. Questa capacità di accendere e spegnere il MOSFET di potenza permette al dispositivo di essere usato come un interruttore molto efficiente con velocità di commutazione molto più veloce dei transistor a giunzione bipolare standard.
Un esempio di utilizzo del MOSFET come interruttore
In questo circuito un MOSFET a canale N in modalità Enhancement viene usato per commutare una semplice lampada “ON” e “OFF” (potrebbe anche essere un LED).
La tensione di ingresso del gate VGS viene portata ad un livello di tensione positivo appropriato per accendere il dispositivo e quindi il carico della lampada, ( VGS = +ve ) o ad un livello di tensione zero che spegne il dispositivo, ( VGS = 0V ).
Se il carico resistivo della lampada dovesse essere sostituito da un carico induttivo come una bobina, un solenoide o un relè, sarebbe necessario un “diodo volano” in parallelo al carico per proteggere il MOSFET da qualsiasi back-emf autogenerato.
Questo mostra un circuito molto semplice per commutare un carico resistivo come una lampada o un LED. Ma quando si usano i MOSFET di potenza per commutare carichi induttivi o capacitivi è necessaria una qualche forma di protezione per evitare che il dispositivo MOSFET si danneggi. Guidare un carico induttivo ha l’effetto opposto di guidare un carico capacitivo.
Per esempio, un condensatore senza carica elettrica è un cortocircuito, con conseguente elevato “inrush” di corrente e quando rimuoviamo la tensione da un carico induttivo abbiamo un grande accumulo di tensione inversa quando il campo magnetico collassa, con conseguente back-emf indotto negli avvolgimenti dell’induttore.
Poi possiamo riassumere le caratteristiche di commutazione di entrambi i MOSFET a canale N e a canale P nella tabella seguente.
| Tipo di MOSFET | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 | |
| N-potenziamento del canale | OFF | OFF | ON | |
| N- canale Depletion | OFF | ON | ON | ON |
| P-canale P- Enhancement | ON | OFF | OFF | |
| P-channel Depletion | ON | ON | OFF |
Nota che a differenza del MOSFET a canale N-canale MOSFET il cui terminale di gate deve essere reso più positivo (attirando elettroni) della sorgente per permettere alla corrente di fluire attraverso il canale, la conduzione attraverso il MOSFET a canale P è dovuta al flusso di fori. Cioè il terminale di gate di un MOSFET a canale P deve essere reso più negativo della sorgente e smetterà di condurre (cut-off) solo finché il gate non sarà più positivo della sorgente.
Quindi, affinché il MOSFET di potenza di tipo enhancement funzioni come un dispositivo di commutazione analogico, deve essere commutato tra la sua “regione di cut-off” dove: VGS = 0V (o VGS = -ve) e la sua “Regione di saturazione” dove: VGS(on) = +ve. La potenza dissipata nel MOSFET ( PD ) dipende dalla corrente che scorre attraverso il canale ID alla saturazione e anche dalla “resistenza ON” del canale data come RDS(on). Per esempio.
MOSFET come interruttore Esempio n. 1
Immaginiamo che la lampada sia valutata a 6v, 24W e sia completamente “ON”, il MOSFET standard ha una resistenza di canale on (RDS(on)) di 0.1ohms. Calcolare la potenza dissipata nel dispositivo di commutazione MOSFET.
La corrente che scorre attraverso la lampada è calcolata come:
Quindi la potenza dissipata nel MOSFET sarà data come:
Si può essere seduti lì pensando, beh, e allora! ma quando si usa il MOSFET come interruttore per controllare motori DC o carichi elettrici con alte correnti di spunto, la resistenza del canale “ON” ( RDS(on) ) tra il drenaggio e la sorgente è molto importante. Per esempio, i MOSFET che controllano i motori DC, sono soggetti a un’alta corrente di spunto quando il motore inizia a ruotare, perché la corrente di avviamento dei motori è limitata solo dal valore molto basso della resistenza degli avvolgimenti dei motori.
Poiché la relazione di base della potenza è: P = I2R, allora un alto valore di resistenza del canale RDS(on) si tradurrebbe semplicemente in grandi quantità di potenza dissipata e sprecata all’interno del MOSFET stesso con conseguente aumento eccessivo della temperatura, che se non controllato potrebbe portare il MOSFET a diventare molto caldo e danneggiato a causa di un sovraccarico termico.
Un valore più basso di RDS(on) per la resistenza di canale è anche un parametro auspicabile in quanto aiuta a ridurre la tensione di saturazione effettiva dei canali ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) attraverso il MOSFET e quindi funzionerà a una temperatura più fredda. I MOSFET di potenza hanno generalmente un valore di RDS(on) inferiore a 0,01Ω che permette loro di funzionare a temperature più basse, estendendo la loro vita operativa.
Una delle principali limitazioni quando si usa un MOSFET come dispositivo di commutazione è la massima corrente di scarico che può gestire. Quindi il parametro RDS(on) è una guida importante per l’efficienza di commutazione del MOSFET ed è semplicemente dato dal rapporto VDS / ID quando il transistor è acceso “ON”.
Quando si usa un MOSFET o qualsiasi tipo di transistor a effetto campo come dispositivo di commutazione a stato solido, è sempre consigliabile scegliere quelli che hanno un valore RDS(on) molto basso o almeno montarli su un dissipatore adatto per aiutare a ridurre qualsiasi fuga termica e danni. I MOSFET di potenza usati come interruttore hanno generalmente una protezione contro le sovracorrenti incorporata nel loro design, ma per applicazioni ad alta corrente il transistor a giunzione bipolare è una scelta migliore.
Controllo motore MOSFET di potenza
A causa della resistenza di ingresso o di gate estremamente alta che ha il MOSFET, le sue velocità di commutazione molto veloci e la facilità con cui possono essere pilotati li rende ideali per interfacciarsi con amplificatori operazionali o porte logiche standard. Tuttavia, bisogna fare attenzione a scegliere correttamente la tensione d’ingresso gate-source perché quando si usa il MOSFET come interruttore, il dispositivo deve ottenere una bassa resistenza di canale RDS(on) in proporzione a questa tensione di gate d’ingresso.
I MOSFET di potenza a bassa soglia potrebbero non commutare “ON” finché al suo gate non sono stati applicati almeno 3V o 4V e se l’uscita dal gate logico è solo +5V logici potrebbe non essere sufficiente a portare il MOSFET in saturazione. Sono disponibili MOSFET a soglia più bassa progettati per interfacciarsi con porte logiche TTL e CMOS che hanno soglie da 1,5V a 2,0V.
I MOSFET di potenza possono essere utilizzati per controllare il movimento dei motori DC o dei motori passo-passo senza spazzole direttamente dalla logica del computer o utilizzando controller di tipo PWM (pulse-width modulation). Poiché un motore DC offre un’elevata coppia di avviamento e che è anche proporzionale alla corrente di armatura, gli interruttori MOSFET insieme a un PWM possono essere utilizzati come un ottimo regolatore di velocità che fornirebbe un funzionamento regolare e silenzioso del motore.
Semplice controllore di motore a MOSFET
Poiché il carico del motore è induttivo, un semplice diodo volano è collegato attraverso il carico induttivo per dissipare qualsiasi back emf generato dal motore quando il MOSFET lo spegne. Una rete di bloccaggio formata da un diodo zener in serie con il diodo può anche essere utilizzata per consentire una commutazione più veloce e un migliore controllo della tensione inversa di picco e del tempo di caduta.
Per maggiore sicurezza, un diodo al silicio o zener D1 aggiuntivo può anche essere collocato attraverso il canale di un interruttore MOSFET quando si utilizzano carichi induttivi, come motori, relè, solenoidi, ecc, per sopprimere i transitori di commutazione di sovratensione e il rumore dando una protezione extra all’interruttore MOSFET se necessario. Il resistore RGS è usato come un resistore pull-down per aiutare a tirare la tensione di uscita TTL fino a 0V quando il MOSFET è commutato “OFF”.
Interruttore MOSFET a canale P
Finora abbiamo visto il MOSFET a canale N come un interruttore dove il MOSFET è posto tra il carico e la terra. Questo permette anche che il segnale di commutazione o di pilotaggio del gate del MOSFET sia riferito a terra (commutazione low-side).
P-channel
MOSFET Switch
Ma in alcune applicazioni si richiede l’uso di MOSFET a canale P in enhancement-mode dove il carico è collegato direttamente a terra. In questo caso l’interruttore MOSFET è collegato tra il carico e la linea di alimentazione positiva (commutazione high-side) come facciamo con i transistor PNP.
In un dispositivo a canale P il flusso convenzionale della corrente di drenaggio è in direzione negativa quindi una tensione negativa gate-source viene applicata per commutare il transistor “ON”.
Questo si ottiene perché il MOSFET a canale P è “capovolto” con il suo terminale sorgente legato all’alimentazione positiva +VDD. Quindi quando l’interruttore va a BASSO, il MOSFET diventa “ON” e quando l’interruttore va ad ALTO il MOSFET diventa “OFF”.
Questo collegamento capovolto di un interruttore MOSFET a canale P ci permette di collegarlo in serie con un MOSFET a canale N per produrre un dispositivo di commutazione complementare o CMOS come mostrato attraverso una doppia alimentazione.
Controllore motore MOSFET complementare
I due MOSFET sono configurati per produrre un interruttore bidirezionale da una doppia alimentazione con il motore collegato tra la connessione di drenaggio comune e il riferimento a terra. Quando l’ingresso è BASSO, il MOSFET a canale P è acceso perché la sua giunzione gate-source è polarizzata negativamente, quindi il motore ruota in una direzione. Solo la linea di alimentazione positiva +VDD è usata per pilotare il motore.
Quando l’ingresso è ALTO, il dispositivo a canale P commuta-OFF e il dispositivo a canale N commuta-ON poiché la sua giunzione gate-source è polarizzata positivamente. Il motore ora ruota nella direzione opposta perché la tensione terminale del motore è stata invertita in quanto è ora alimentata dalla linea di alimentazione negativa -VDD.
Quindi il MOSFET a canale P viene usato per commutare l’alimentazione positiva al motore per la direzione avanti (commutazione lato alto) mentre il MOSFET a canale N viene usato per commutare l’alimentazione negativa al motore per la direzione indietro (commutazione lato basso).
Ci sono una varietà di configurazioni per guidare i due MOSFET con molte applicazioni diverse. Sia i dispositivi a canale P che quelli a canale N possono essere pilotati da un singolo circuito integrato di pilotaggio del gate come mostrato.
Tuttavia, per evitare la conduzione incrociata con entrambi i MOSFET che conducono allo stesso tempo attraverso le due polarità della doppia alimentazione, sono necessari dispositivi di commutazione veloce per fornire una certa differenza di tempo tra il loro “OFF” e l’altro “ON”. Un modo per superare questo problema è quello di pilotare entrambi i gate dei MOSFETS separatamente. Questo produce poi una terza opzione di “STOP” al motore quando entrambi i MOSFETS sono “OFF”.
Tabella di controllo motore MOSFET complementare
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Funzione motore |
| OFF | OFF | Motore fermo (OFF) |
| ON | OFF | Motore gira in avanti |
| OFF | ON | Il motore gira all’indietro |
| ON | ON | NON CONSENTITO |
Si prega di notare che è importante che non ci siano altre combinazioni di ingressi consentiti allo stesso tempo in quanto ciò potrebbe causare un corto circuito dell’alimentazione, in quanto entrambi i MOSFETS, FET1 e FET2 potrebbero essere accesi insieme con conseguente: ( fusibile = bang! ), attenzione.
