We hebben eerder gezien dat de N-kanaals, Enhancement-mode MOSFET (e-MOSFET) werkt met een positieve ingangsspanning en een extreem hoge ingangsweerstand heeft (bijna oneindig) waardoor het mogelijk is om te koppelen met bijna elke logische gate of driver die in staat is om een positieve uitgang te produceren.
We zagen ook dat we door deze zeer hoge ingangs(poort)weerstand veilig veel verschillende MOSFETS parallel kunnen schakelen tot we de stroomverwerkingscapaciteit hebben bereikt die we nodig hebben.
Hoewel het parallel schakelen van verschillende MOSFETS ons in staat kan stellen om hoge stromen of hoogspanningsbelastingen te schakelen, wordt dit duur en onpraktisch in zowel componenten als printplaatruimte. Om dit probleem op te lossen werden Power Field Effect Transistors of Power FET’s ontwikkeld.V
We weten nu dat er twee belangrijke verschillen zijn tussen veldeffecttransistors, depletion-mode alleen voor JFET’s en zowel enhancement-mode als depletion-mode voor MOSFET’s. In deze handleiding zullen we kijken naar het gebruik van de Enhancement-mode MOSFET als een schakelaar, omdat deze transistors een positieve poortspanning nodig hebben om “AAN” te schakelen en een nulspanning om “UIT” te schakelen, waardoor ze gemakkelijk te begrijpen zijn als schakelaars en ook gemakkelijk te interfacen zijn met logische poorten.
De werking van de enhancement-mode MOSFET, of e-MOSFET, kan het best worden beschreven met behulp van de I-V-karakteristieken die hieronder worden getoond. Wanneer de ingangsspanning, ( VIN ) naar de gate van de transistor nul is, geleidt de MOSFET vrijwel geen stroom en is de uitgangsspanning ( VOUT ) gelijk aan de voedingsspanning VDD. De MOSFET is dus “UIT” en werkt binnen zijn “uitschakel”-gebied.
MOSFET-karakteristiekencurven
De minimale ON-state poortspanning die nodig is om ervoor te zorgen dat de MOSFET “AAN” blijft wanneer hij de geselecteerde afvoerstroom geleidt, kan worden bepaald uit de bovenstaande V-I-overdrachtcurven. Wanneer VIN HOOG of gelijk aan VDD is, verplaatst het Q-punt van de MOSFET zich naar punt A langs de belastingslijn.
De drainstroom ID neemt toe tot zijn maximumwaarde als gevolg van een verlaging van de kanaalweerstand. ID wordt een constante waarde, onafhankelijk van VDD, en is alleen afhankelijk van VGS. De transistor gedraagt zich dus als een gesloten schakelaar, maar de kanaal-ON-weerstand neemt niet volledig af tot nul vanwege de RDS(on)-waarde, maar wordt zeer klein.
Ook beweegt het Q-punt van de MOSFET zich van punt A naar punt B langs de belastingslijn wanneer VIN LAAG is of tot nul is gereduceerd. De kanaalweerstand is zeer hoog, zodat de transistor zich gedraagt als een open circuit en er geen stroom door het kanaal loopt. Dus als de gatespanning van de MOSFET wisselt tussen twee waarden, HOOG en LAAG, zal de MOSFET zich gedragen als een “single-pole single-throw” (SPST) solid-state schakelaar en deze actie wordt gedefinieerd als:
1. Cut-off Region
Hier zijn de werkingsvoorwaarden van de transistor nul ingangsgatespanning ( VIN ), nul drainstroom ID en uitgangsspanning VDS = VDD. Voor een MOSFET van het enhancement-type is het geleidende kanaal dus gesloten en wordt het apparaat “UIT” geschakeld.
Cut-off-eigenschappen
 |
|
Dan kunnen we de “cut-off” regio of “OFF mode” bij gebruik van een e-MOSFET als schakelaar als volgt definiëren, gatespanning, VGS < VTH dus ID = 0. Voor een P-kanaals versterkings-MOSFET moet het poortpotentiaal positiever zijn ten opzichte van de bron
2. Verzadigingsgebied
In het verzadigings- of lineaire gebied wordt de transistor zodanig beïnvloed dat de maximale gatespanning op het apparaat wordt toegepast, waardoor de kanaalweerstand RDS(on) zo klein mogelijk is en er een maximale afvoerstroom door de MOSFET-schakelaar vloeit. Daarom is bij de MOSFET van het enhancement-type het geleidende kanaal open en wordt de inrichting “AAN” geschakeld.
Verzadigingskenmerken
 |
|
Dan kunnen we het verzadigingsgebied of “ON mode” bij gebruik van een e-MOSFET als schakelaar definiëren als gate-source spanning, VGS > VTH dus ID = Maximum. Voor een P-kanaals versterkende MOSFET moet het poortpotentiaal negatiever zijn ten opzichte van de bron.
Door een geschikte aandrijfspanning op de gate van een FET aan te brengen, kan de weerstand van het drain-source kanaal, RDS(on) worden gevarieerd van een “OFF-weerstand” van vele honderden kΩ, effectief een open circuit, tot een “ON-weerstand” van minder dan 1Ω, effectief optredend als een kortsluiting.
Wanneer we de MOSFET als schakelaar gebruiken, kunnen we de MOSFET sneller of langzamer laten “AAN” gaan, of hoge of lage stromen laten passeren. Door deze mogelijkheid om de MOSFET “AAN” en “UIT” te schakelen, kan het apparaat worden gebruikt als een zeer efficiënte schakelaar met schakelsnelheden die veel hoger zijn dan die van standaard bipolaire junction-transistors.
Een voorbeeld van het gebruik van de MOSFET als schakelaar
In deze schakeling wordt een Enhancement-mode N-kanaal MOSFET gebruikt om een eenvoudige lamp “AAN” en “UIT” te schakelen (zou ook een LED kunnen zijn).
De ingangsspanning VGS wordt op een geschikt positief spanningsniveau gebracht om het apparaat en daarmee de lampbelasting ofwel “AAN” te zetten, ( VGS = +ve ) of op een nulspanningsniveau dat het apparaat “UIT” zet, ( VGS = 0V ).
Als de resistieve belasting van de lamp zou worden vervangen door een inductieve belasting, zoals een spoel, solenoïde of relais, zou een “vliegwieldiode” parallel aan de belasting nodig zijn om de MOSFET te beschermen tegen een zelf gegenereerde back-emf.
Hierboven ziet u een zeer eenvoudige schakeling voor het schakelen van een resistieve belasting, zoals een lamp of LED. Maar wanneer u MOSFET’s gebruikt om inductieve of capacitieve belastingen te schakelen, is enige vorm van bescherming vereist om te voorkomen dat het MOSFET-apparaat beschadigd raakt. Het aansturen van een inductieve belasting heeft het tegenovergestelde effect van het aansturen van een capacitieve belasting.
Een condensator zonder elektrische lading vormt bijvoorbeeld een kortsluiting, wat resulteert in een hoge “inrush” van stroom en wanneer we de spanning van een inductieve belasting verwijderen, hebben we een grote omgekeerde spanningsopbouw als het magnetische veld instort, wat resulteert in een geïnduceerde back-emf in de windingen van de spoel.
Dan kunnen we de schakelkarakteristieken van zowel het N-kanaals als het P-kanaals type MOSFET samenvatten in de volgende tabel.
| MOSFET Type | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-kanaalverbetering | OFF | OFF | ON |
| N-kanaaluitputting | OFF | ON | ON |
| P-kanaal Enhancement | ON | OFF | OFF |
| P-kanaal Depletion | ON | ON | OFF |
Merk op dat, in tegenstelling tot de N-kanaal MOSFET waarvan de gate-terminal positiever moet worden gemaakt (elektronen aantrekken) dan de bron om stroom door het kanaal te laten lopen, de geleiding door de P-kanaal MOSFET het gevolg is van de stroom van gaten. Dat wil zeggen dat de gate-terminal van een P-kanaal MOSFET negatiever moet worden gemaakt dan de bron en pas zal stoppen met geleiden (cut-off) wanneer de gate positiever is dan de bron.
Om het enhancement type power MOSFET te laten werken als een analoog schakelapparaat, moet het worden geschakeld tussen zijn “Cut-off Region” waar: VGS = 0V (of VGS = -ve) en zijn “verzadigingsgebied” waar: VGS (aan) = +ve. Het vermogen dat in de MOSFET wordt gedissipeerd ( PD ) hangt af van de stroom die door het kanaal ID stroomt bij verzadiging en ook van de “AAN-weerstand” van het kanaal, gegeven als RDS(on). Bijvoorbeeld.
MOSFET als schakelaar Voorbeeld No1
Laten we aannemen dat de lamp een nominaal vermogen heeft van 6V, 24W en volledig “ON” is, de standaard MOSFET heeft een kanaal aan-weerstand ( RDS(on) ) waarde van 0.1ohms. Bereken het gedissipeerde vermogen in de MOSFET-schakeltoestel.
De stroom door de lamp wordt berekend als:
Dan zal het gedissipeerde vermogen in de MOSFET worden gegeven als:
U zit daar misschien te denken, nou en! maar wanneer u de MOSFET gebruikt als schakelaar om gelijkstroommotoren of elektrische belastingen met hoge inschakelstromen aan te sturen, is de “ON”-kanaalweerstand ( RDS(on) ) tussen de drain en de source zeer belangrijk. Bijvoorbeeld, MOSFETs die gelijkstroommotoren aansturen, worden onderworpen aan een hoge inschakelstroom wanneer de motor voor het eerst begint te draaien, omdat de inschakelstroom van de motor alleen wordt beperkt door de zeer lage weerstandswaarde van de motorwikkelingen.
Als de basisvermogensrelatie is: P = I2R, dan zou een hoge RDS(on) kanaalweerstandswaarde eenvoudig resulteren in grote hoeveelheden stroom die wordt gedissipeerd en verspild binnen de MOSFET zelf wat resulteert in een buitensporige temperatuurstijging, die indien niet gecontroleerd zou kunnen resulteren in de MOSFET die zeer heet wordt en beschadigd raakt als gevolg van een thermische overbelasting.
Een lagere RDS(on)-waarde voor de kanaalweerstand is ook een wenselijke parameter, aangezien dit helpt om de effectieve verzadigingsspanning van het kanaal ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) over de MOSFET te verlagen en daardoor bij een koelere temperatuur zal werken. Power MOSFET’s hebben over het algemeen een RDS(on) waarde van minder dan 0.01Ω, waardoor ze koeler kunnen werken, wat hun operationele levensduur verlengt.
Een van de belangrijkste beperkingen bij het gebruik van een MOSFET als een schakelapparaat is de maximale drainstroom die het kan verwerken. Dus de RDS(on) parameter is een belangrijke richtlijn voor het schakelrendement van de MOSFET en wordt eenvoudig gegeven als de verhouding van VDS / ID wanneer de transistor “ON” wordt geschakeld.
Bij gebruik van een MOSFET of elk type veldeffecttransistor als een solid-state schakelapparaat is het altijd raadzaam om degenen te kiezen die een zeer lage RDS(on) waarde hebben of ze ten minste op een geschikt koellichaam monteren om te helpen eventuele thermische runaway en schade te beperken. Power MOSFET’s die als schakelaar worden gebruikt, hebben in het algemeen een in hun ontwerp ingebouwde overspanningsbeveiliging, maar voor toepassingen met hoge stromen is de bipolaire junctietransistor een betere keuze.
Power MOSFET Motor Control
Door de extreem hoge ingangs- of poortweerstand die de MOSFET heeft, zijn zeer hoge schakelsnelheden en het gemak waarmee ze kunnen worden aangestuurd, maken ze ideaal als interface met op-amps of standaard logische poorten. Er moet echter voor worden gezorgd dat de ingangsspanning van de gate-bron juist wordt gekozen, want wanneer de MOSFET als schakelaar wordt gebruikt, moet het apparaat een lage RDS(on)-kanaalweerstand hebben in verhouding tot deze ingangsspanning van de gate.
Mogens-MOSFET’s met een lage drempelwaarde kunnen niet “AAN” schakelen voordat ten minste 3V of 4V op de gate is toegepast en als de uitgang van de logische gate slechts +5V is, kan dit onvoldoende zijn om de MOSFET volledig in saturatie te brengen. Er zijn MOSFET’s met een lagere drempelwaarde beschikbaar die zijn ontworpen voor interfacing met TTL- en CMOS-logische poorten met drempelwaarden van slechts 1,5V tot 2,0V.
Power MOSFET’s kunnen worden gebruikt om de beweging van gelijkstroommotoren of borstelloze stappenmotoren rechtstreeks vanuit computerlogica te regelen of met behulp van regelaars van het type pulsbreedtemodulatie (PWM). Aangezien een gelijkstroommotor een hoog aanloopkoppel heeft en dat ook evenredig is met de ankerstroom, kunnen MOSFET-schakelaars samen met een PWM worden gebruikt als een zeer goede snelheidsregelaar die een soepele en stille werking van de motor zou opleveren.
Eenvoudige Power MOSFET Motor Controller
Aangezien de motorbelasting inductief is, wordt een eenvoudige vliegwieldiode over de inductieve belasting aangesloten om een eventuele door de motor gegenereerde back emf te dissiperen wanneer de MOSFET deze “UIT” schakelt. Een klemmend netwerk gevormd door een zenerdiode in serie met de diode kan ook worden gebruikt om sneller schakelen mogelijk te maken en de piekspanning in sperrichting en de uitvaltijd beter te beheersen.
Voor extra veiligheid kan ook een extra silicium- of zenerdiode D1 over het kanaal van een MOSFET-schakelaar worden geplaatst bij gebruik van inductieve belastingen, zoals motoren, relais, solenoïden, enz. om overspanningstransiënten en ruis te onderdrukken, zodat de MOSFET-schakelaar indien nodig extra wordt beschermd. Weerstand RGS wordt gebruikt als pull-down-weerstand om de TTL-uitgangsspanning omlaag te trekken naar 0 V wanneer de MOSFET “UIT” wordt geschakeld.
P-kanaals MOSFET Schakelaar
Tot nu toe hebben we gekeken naar de N-kanaals MOSFET als schakelaar, waarbij de MOSFET tussen de belasting en de massa wordt geplaatst. Hierdoor kan ook het gate-aandrijf- of schakelsignaal van de MOSFET aan massa worden gerelateerd (laagzijdig schakelen).
P-kanaal
MOSFET Schakelaar
Maar in sommige toepassingen vereisen we het gebruik van P-kanaals enhancement-mode MOSFET waarbij de belasting rechtstreeks met massa is verbonden. In dit geval wordt de MOSFET-schakelaar aangesloten tussen de belasting en de positieve voedingsrail (hoog-zijdig schakelen) zoals we doen met PNP-transistors.
In een P-kanaalapparaat is de conventionele stroom van de afvoerstroom in de negatieve richting, zodat een negatieve gate-bronspanning wordt toegepast om de transistor “AAN” te schakelen.
Dit wordt bereikt omdat de P-kanaal MOSFET “ondersteboven” is met zijn bronterminal gebonden aan de positieve voeding +VDD. Wanneer de schakelaar dan LAAG gaat, gaat de MOSFET “AAN” en wanneer de schakelaar HOOG gaat, gaat de MOSFET “UIT”.
Deze omgekeerde aansluiting van een P-kanaals enhancement mode MOSFET-schakelaar stelt ons in staat om hem in serie te schakelen met een N-kanaals enhancement mode MOSFET om een complementair of CMOS-schakelapparaat te produceren, zoals afgebeeld over een dubbele voeding.
Complementaire MOSFET-motorbesturing
De twee MOSFET’s zijn geconfigureerd om een tweerichtingsschakeling te produceren vanuit een dubbele voeding waarbij de motor is aangesloten tussen de gemeenschappelijke drain-aansluiting en de aardreferentie. Wanneer de ingang LAAG is, wordt de P-kanaal MOSFET AAN geschakeld omdat zijn gate-source junctie negatief wordt beïnvloed zodat de motor in één richting draait. Alleen de positieve +VDD voedingsrail wordt gebruikt om de motor aan te drijven.
Wanneer de ingang HOOG is, schakelt het P-kanaal apparaat uit en het N-kanaal apparaat schakelt AAN omdat zijn gate-bron kruising positief wordt beïnvloed. De motor draait nu in de tegenovergestelde richting omdat de klemspanning van de motor is omgekeerd omdat deze nu wordt gevoed door de negatieve -VDD voedingsrail.
Dan wordt de P-kanaal MOSFET gebruikt om de positieve voeding naar de motor te schakelen voor de voorwaartse richting (hoog-zijdig schakelen) terwijl de N-kanaal MOSFET wordt gebruikt om de negatieve voeding naar de motor te schakelen voor de achterwaartse richting (laag-zijdig schakelen).
Er zijn een verscheidenheid van configuraties voor het aansturen van de twee MOSFET’s met veel verschillende toepassingen. Zowel de P-kanaal als de N-kanaal apparaten kunnen worden aangestuurd door een enkel gate drive IC zoals afgebeeld.
Om echter kruisgeleiding te voorkomen waarbij beide MOSFETS tegelijkertijd over de twee polariteiten van de dubbele voeding geleiden, zijn snelle schakeltoestellen nodig om enige tijd te overbruggen tussen het “UIT” schakelen en het “AAN” schakelen van de andere. Eén manier om dit probleem op te lossen is beide MOSFETS-poorten afzonderlijk aan te sturen. Dit geeft dan een derde mogelijkheid van “STOP” aan de motor wanneer beide MOSFETS “UIT” zijn.
Complementaire MOSFET motorsturingstabel
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Motorfunctie |
| OFF | OFF | Motor gestopt (OFF) |
| ON | OFF | Motor draait vooruit |
| OFF | ON | Motor draait achteruit |
| ON | ON | NIET TOEGESTAAN |
Let op: het is belangrijk dat er geen andere combinatie van ingangen tegelijkertijd is toegestaan, aangezien dit kortsluiting in de voeding kan veroorzaken, omdat beide MOSFETS, FET1 en FET2 samen “AAN” kunnen worden geschakeld met als gevolg: ( zekering = knal! ), wees gewaarschuwd.
