Vimos anteriormente, que o MOSFET de modo N, Enhancement-mode (e-MOSFET) opera usando uma tensão de entrada positiva e tem uma resistência de entrada extremamente alta (quase infinita), tornando possível a interface com quase qualquer porta lógica ou driver capaz de produzir uma saída positiva.
Vimos também que devido a esta resistência muito alta de entrada (Porta) podemos paralelizar com segurança muitos MOSFETS diferentes até atingirmos a capacidade de manuseamento de corrente que necessitamos.
Embora a ligação de vários MOSFETS em paralelo possa permitir-nos comutar altas correntes ou cargas de alta tensão, fazendo isso torna-se dispendioso e impraticável tanto nos componentes como no espaço da placa de circuito. Para ultrapassar este problema os transístores de efeito de campo de potência ou Power FET’s onde foram desenvolvidos.V
Agora sabemos que existem duas diferenças principais entre os transístores de efeito de campo, modo de esgotamento apenas para os JFET’s e ambos modo de melhoramento e modo de esgotamento para os MOSFET’s. Neste tutorial vamos analisar o uso do modo Enhancement-mode MOSFET como um Switch, pois estes transistores requerem uma tensão de porta positiva para ligar “ON” e uma tensão zero para desligar “OFF”, tornando-os facilmente entendidos como switches e também fáceis de interagir com portas lógicas.
O funcionamento do modo Enhancement-mode MOSFET, ou e-MOSFET, pode ser melhor descrito usando suas curvas de características I-V mostradas abaixo. Quando a tensão de entrada, ( VIN ) para a porta do transistor é zero, o MOSFET conduz praticamente nenhuma corrente e a tensão de saída ( VOUT ) é igual à tensão de alimentação VDD. Assim o MOSFET está “OFF” operando na sua região de “corte”.
MOSFET Características Curvas
A tensão mínima de porta de estado “ON” necessária para garantir que o MOSFET permaneça “ON” ao transportar a corrente de descarga seleccionada pode ser determinada a partir das curvas de transferência V-I acima. Quando o VIN é ALTO ou igual ao VDD, o ponto Q do MOSFET desloca-se para o ponto A ao longo da linha de carga.
O ID da corrente de descarga aumenta para o seu valor máximo devido a uma redução na resistência do canal. O ID torna-se um valor constante independente do VDD, e depende apenas do VGS. Portanto, o transistor comporta-se como um interruptor fechado mas a resistência do canal ON não reduz totalmente a zero devido ao seu valor RDS(on), mas fica muito pequeno.
Likewise, quando o VIN é BAIXO ou reduzido a zero, o ponto Q MOSFET move-se do ponto A para o ponto B ao longo da linha de carga. A resistência do canal é muito alta, portanto o transistor age como um circuito aberto e nenhuma corrente flui através do canal. Assim, se a tensão de porta do MOSFET alterna entre dois valores, ALTA e BAIXA, o MOSFET comportar-se-á como um “interruptor de estado sólido de um só pólo” (SPST) e esta acção é definida como:
1. Região de Corte
São as condições de operação do transistor a tensão de porta de entrada zero ( VIN ), ID da corrente de drenagem zero e tensão de saída VDS = VDD. Portanto, para um tipo de ampliação MOSFET, o canal condutor é fechado e o aparelho é comutado “OFF”.
Características de corte
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Então podemos definir a região de corte ou “OFF mode” quando usamos um e-MOSFET como um interruptor como sendo, tensão da porta, VGS < VTH assim ID = 0. Para um MOSFET de melhoria do canal P, o potencial de porta deve ser mais positivo em relação à Fonte.
2. Região de saturação
Na região de saturação ou linear, o transistor será enviesado de modo que a quantidade máxima de tensão de porta seja aplicada ao dispositivo, o que resulta na resistência do canal RDS(ao ser o menor possível com a corrente máxima de drenagem fluindo através do interruptor MOSFET. Portanto, para o tipo de ampliação MOSFET, o canal condutor está aberto e o dispositivo é ligado “ON”.
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Depois podemos definir a região de saturação ou “ON mode” quando usamos um e-MOSFET como interruptor como tensão de porta-fonte, VGS > VTH assim ID = Máximo. Para um MOSFET de melhoramento do canal P, o potencial da porta deve ser mais negativo em relação à Fonte.
Aplicando uma tensão de accionamento adequada à porta de um FET, a resistência do canal da fonte de drenagem, RDS(on) pode variar desde uma “resistência OFF” de muitas centenas de kΩ, efectivamente um circuito aberto, até uma “resistência ON” de menos de 1Ω, actuando efectivamente como um curto-circuito.
Quando usamos o MOSFET como um interruptor, podemos conduzir o MOSFET para ligar mais rápido ou mais devagar, ou passar correntes altas ou baixas. Esta capacidade de ligar o MOSFET “ON” e “OFF” permite que o dispositivo seja utilizado como um interruptor muito eficiente com velocidades de comutação muito mais rápidas do que os transístores de junção bipolares normais.
Um exemplo de utilização do MOSFET como interruptor
Neste arranjo de circuitos está a ser utilizado um MOSFET de modo N para ligar uma simples lâmpada “ON” e “OFF” (pode também ser um LED).
A tensão de entrada da porta VGS é levada a um nível de tensão positiva apropriado para ligar o aparelho e, portanto, a carga da lâmpada “ON”, ( VGS = +ve ) ou a um nível de tensão zero que desliga o aparelho “OFF”, ( VGS = 0V ).
Se a carga resistiva da lâmpada fosse substituída por uma carga indutiva como uma bobina, solenóide ou relé, seria necessário um “díodo de volante” em paralelo com a carga para proteger o MOSFET de qualquer carga auto gerada em backemf.
Acima mostra um circuito muito simples para comutar uma carga resistiva como uma lâmpada ou um LED. Mas ao utilizar MOSFETs de potência para comutar cargas indutivas ou capacitivas é necessária alguma forma de protecção para evitar que o dispositivo MOSFET fique danificado. Conduzir uma carga indutiva tem o efeito contrário de conduzir uma carga capacitiva.
Por exemplo, um condensador sem carga eléctrica é um curto-circuito, resultando num elevado “irrupção” de corrente e quando retiramos a tensão de uma carga indutiva temos uma grande acumulação de tensão inversa à medida que o campo magnético colapsa, resultando num retorno induzido nos enrolamentos do indutor.
Então podemos resumir as características de comutação tanto do MOSFET do tipo de canal N como do tipo de canal P dentro da tabela seguinte.
| MOSFET Tipo | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-melhoria do canal | OFF | OFF | ON |
| Esgotamento do canal N | OFF | ON | ON |
| P-melhoria do canal | ON | OFF | OFF |
| Esgotamento do canal P | ON | ON | OFF |
Nota que, ao contrário do N-canal MOSFET cujo terminal de porta deve ser mais positivo (atraindo elétrons) do que a fonte para permitir que a corrente flua através do canal, a condução através do canal P MOSFET é devido ao fluxo de furos. Este é o terminal de porta de um MOSFET de canal P deve ser feito mais negativo que a fonte e só vai parar a condução (cut-off) até que a porta seja mais positiva que a fonte.
Então, para que o MOSFET de tipo de melhoria de potência funcione como um dispositivo de comutação analógico, ele precisa ser comutado entre a sua “Região de Corte” onde: VGS = 0V (ou VGS = -ve) e a sua “Região de Saturação” onde: VGS(on) = +ve. A potência dissipada no MOSFET ( PD ) depende da corrente que passa através do ID do canal em saturação e também da “resistência ON” do canal dado como RDS(on). Por exemplo.
MOSFET como Switch Example No1
Liberemos assumir que a lâmpada é classificada a 6v, 24W e é totalmente “ON”, o MOSFET padrão tem um valor de resistência do canal ( RDS(on) ) de 0.1ohms. Calcule a potência dissipada no dispositivo de comutação MOSFET.
A corrente que flui através da lâmpada é calculada como:
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Então a potência dissipada no MOSFET será dada como:
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Você pode estar sentado lá pensando, bem, e daí! mas quando se usa o MOSFET como interruptor para controlar motores DC ou cargas eléctricas com altas correntes de arranque, a resistência do canal “ON” ( RDS(on) ) entre o dreno e a fonte é muito importante. Por exemplo, os MOSFETs que controlam motores CC, são submetidos a uma corrente de arranque elevada quando o motor começa a rodar, porque a corrente de arranque dos motores só é limitada pelo valor de resistência muito baixo dos enrolamentos dos motores.
Como a relação de potência básica é: P = I2R, então um alto valor de resistência do canal RDS(on) resultaria simplesmente em grandes quantidades de energia sendo dissipada e desperdiçada dentro do próprio MOSFET resultando num aumento excessivo da temperatura, que se não for controlado poderia resultar no MOSFET ficar muito quente e danificado devido a uma sobrecarga térmica.
Um valor RDS(on) inferior para a resistência do canal também é um parâmetro desejável, pois ajuda a reduzir a tensão de saturação efetiva dos canais ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) em todo o MOSFET e, portanto, funcionará a uma temperatura mais fria. Os MOSFETs de potência geralmente têm um valor RDS(on) inferior a 0.01Ω o que lhes permite funcionar com resfriador, prolongando sua vida útil.
Uma das principais limitações quando se usa um MOSFET como dispositivo de comutação é a máxima corrente de drenagem que ele pode suportar. Assim o parâmetro RDS(on) é um guia importante para a eficiência de comutação do MOSFET e é simplesmente dado como a razão VDS / ID quando o transistor é ligado “ON”.
Quando se usa um transistor MOSFET ou qualquer tipo de transistor de efeito de campo para esse fim como um dispositivo de comutação de estado sólido é sempre aconselhável selecionar aqueles que têm um valor RDS(on) muito baixo ou pelo menos montá-los em um dissipador de calor adequado para ajudar a reduzir qualquer fuga térmica e danos. Os MOSFETs de potência usados como comutadores geralmente têm proteção contra sobrecorrente incorporada em seu design, mas para aplicações de alta corrente o transistor de junção bipolar é uma melhor escolha.
Controle de motor MOSFET de potência
Por causa da resistência extremamente alta de entrada ou de porta que o MOSFET tem, suas velocidades de chaveamento muito rápidas e a facilidade com que podem ser acionados os torna ideais para interface com op-amps ou portões lógicos padrão. No entanto, é preciso ter cuidado para que a tensão de entrada da porta de entrada seja escolhida corretamente, pois ao usar o MOSFET como interruptor, o dispositivo deve obter uma resistência de canal RDS(on) baixa em proporção a esta tensão de porta de entrada.
Baixa potência do tipo limiar MOSFET não pode ligar até que pelo menos 3V ou 4V tenha sido aplicado à sua porta e se a saída da porta lógica for apenas +5V lógica, pode ser insuficiente para conduzir completamente o MOSFET à saturação. Estão disponíveis MOSFETs de limiar inferior concebidos para interface com portas lógicas TTL e CMOS com limiares tão baixos como 1,5V a 2,0V.
Power MOSFETs podem ser utilizados para controlar o movimento de motores CC ou motores passo-a-passo sem escovas directamente a partir da lógica do computador ou utilizando controladores do tipo PWM (pulse-width modulation). Como um motor CC oferece um alto torque de partida e que também é proporcional à corrente de armadura, os interruptores MOSFET juntamente com um PWM podem ser usados como um controlador de velocidade muito bom que proporcionaria um funcionamento suave e silencioso do motor.
Controlador de motor MOSFET de potência simples
>Como a carga do motor é indutiva, um díodo simples de volante é ligado através da carga indutiva para dissipar qualquer emf posterior gerado pelo motor quando o MOSFET o desliga. Uma rede de aperto formada por um díodo zener em série com o díodo também pode ser utilizada para permitir uma comutação mais rápida e um melhor controlo da tensão inversa de pico e do tempo de queda.
Para maior segurança, um díodo zener ou silício adicional D1 também pode ser colocado através do canal de um interruptor MOSFET quando se utilizam cargas indutivas, tais como motores, relés, solenóides, etc., para suprimir transientes de comutação de sobretensão e ruído dando protecção extra ao interruptor MOSFET, se necessário. O Resistor RGS é usado como um resistor de tracção para ajudar a puxar a tensão de saída TTL para 0V quando o MOSFET é comutado “OFF”.
Interruptor MOSFET de canal P
Até agora olhamos para o MOSFET de canal N como um interruptor onde o MOSFET é colocado entre a carga e o solo. Isto também permite que o acionamento da porta MOSFET ou sinal de comutação seja referenciado ao terra (comutação de baixo-canal).
P-channel
MOSFET Switch
Mas em algumas aplicações nós exigimos o uso do MOSFET do modo P-channel enhancement-mode onde a carga é conectada diretamente ao terra. Neste caso o interruptor MOSFET é conectado entre a carga e o trilho de alimentação positiva (comutação do lado alto) como fazemos com transistores PNP.
Em um dispositivo de canal P o fluxo convencional de corrente de drenagem está na direção negativa, então uma tensão de porta negativa é aplicada para comutar o transistor “ON”.
Isto é conseguido porque o MOSFET de canal P está “de cabeça para baixo” com seu terminal de fonte ligado à alimentação positiva +VDD. Então quando o comutador fica BAIXO, o MOSFET liga “ON” e quando o comutador fica ALTO o MOSFET desliga “OFF”.
Esta ligação invertida de um comutador MOSFET de modo de melhoramento do canal P permite-nos ligá-lo em série com um MOSFET de modo de melhoramento do canal N para produzir um dispositivo de comutação complementar ou CMOS como mostrado através de uma alimentação dupla.
Controlador de motor MOSFET complementar
Os dois MOSFETs são configurados para produzir um comutador bidireccional a partir de uma alimentação dupla com o motor ligado entre a ligação comum de drenagem e a referência de terra. Quando a entrada é BAIXA, o MOSFET de canal P é ligado, uma vez que a sua junção da fonte de alimentação é negativamente enviesada, de modo que o motor gira numa direcção. Apenas a calha de alimentação positiva +VDD é utilizada para accionar o motor.
Quando a entrada é ALTA, o dispositivo de canal P comuta-OFF e o dispositivo de canal N comuta-ON como sua junção de porta-fonte é positivamente enviesada. O motor agora gira no sentido oposto porque a tensão do terminal do motor foi invertida, uma vez que agora é fornecida pela calha de alimentação negativa -VDD.
Então o MOSFET de canal P é usado para comutar a alimentação positiva para o motor para o sentido de avanço (comutação do lado alto) enquanto o MOSFET de canal N é usado para comutar a alimentação negativa para o motor para o sentido inverso (comutação do lado baixo).
Há uma variedade de configurações para conduzir os dois MOSFETs com muitas aplicações diferentes. Tanto os dispositivos de canal P quanto os de canal N podem ser acionados por um único CI de acionamento da porta, como mostrado.
No entanto, para evitar a condução cruzada com ambos os MOSFETS conduzindo ao mesmo tempo através das duas polaridades da alimentação dupla, são necessários dispositivos de comutação rápida para fornecer alguma diferença de tempo entre eles desligando “OFF” (desligado) e o outro ligando “ON” (ligado). Uma forma de ultrapassar este problema é conduzir ambos os portões MOSFETS separadamente. Isto produz então uma terceira opção de “STOP” para o motor quando ambos os MOSFETS estão “DESLIGADOS”.
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Função do Motor | |
| OFF | OFF | Motor parado (OFF) | |
| ON | OFF | Motor rotativo para a frente | |
| OFF | ON | Motor Rotativo Reverso | |
| ON | ON | ON | NÃO PERMITIDO |
Por favor note que não há outra combinação de entradas permitida ao mesmo tempo, pois isso pode fazer com que a fonte de alimentação fique em curto-circuito, pois ambos MOSFETS, FET1 e FET2 poderiam ser ligados “ON” juntos, resultando em: ( fuse = bang! ), fique avisado.
