Wcześniej widzieliśmy, że N-kanałowy MOSFET pracujący w trybie Enhancement (e-MOSFET) działa wykorzystując dodatnie napięcie wejściowe i ma niezwykle wysoką rezystancję wejściową (prawie nieskończoną), co sprawia, że może współpracować z prawie każdą bramką logiczną lub sterownikiem zdolnym do wytworzenia dodatniego wyjścia.
Widzieliśmy również, że z powodu bardzo wysokiej rezystancji wejściowej (bramki) możemy bezpiecznie łączyć równolegle wiele różnych MOSFET-ów aż do osiągnięcia wymaganej przez nas wydajności prądowej.
Pomimo, że łączenie różnych MOSFET-ów równolegle może umożliwić nam przełączanie dużych prądów lub obciążeń wysokonapięciowych, staje się to drogie i niepraktyczne zarówno jeśli chodzi o komponenty jak i miejsce na płytce drukowanej. Aby przezwyciężyć ten problem opracowano tranzystory polowe mocy lub FET’y mocy. V
Wiemy już, że istnieją dwie główne różnice pomiędzy tranzystorami polowymi, tryb zanikowy tylko dla JFET’ów oraz tryb wzmocnienia i zanikowy dla MOSFET’ów. W tym poradniku przyjrzymy się wykorzystaniu tranzystora MOSFET pracującego w trybie ulepszenia jako przełącznika, ponieważ tranzystory te wymagają dodatniego napięcia na bramce, aby włączyć „ON” i zerowego napięcia, aby wyłączyć „OFF”, co czyni je łatwymi do zrozumienia jako przełączniki, a także łatwymi do połączenia z bramkami logicznymi.
Działanie tranzystora MOSFET pracującego w trybie ulepszenia, lub e-MOSFET, może być najlepiej opisane przy użyciu krzywych charakterystyki I-V pokazanych poniżej. Gdy napięcie wejściowe, ( VIN ) do bramki tranzystora wynosi zero, MOSFET nie przewodzi praktycznie żadnego prądu, a napięcie wyjściowe ( VOUT ) jest równe napięciu zasilania VDD. Tak więc MOSFET jest „OFF” pracując w swoim obszarze „cut-off”.
Krzywe charakterystyki MOSFET
Minimalne napięcie bramki w stanie ON wymagane do zapewnienia, że MOSFET pozostaje „ON” przy przewodzeniu wybranego prądu drenu może być określone z powyższych krzywych przenoszenia V-I. Gdy VIN jest WYSOKI lub równy VDD, punkt Q MOSFET-a przesuwa się do punktu A wzdłuż linii obciążenia.
Prąd drenu ID wzrasta do wartości maksymalnej z powodu zmniejszenia rezystancji kanału. ID staje się wartością stałą niezależną od VDD, a zależy tylko od VGS. Dlatego tranzystor zachowuje się jak zamknięty przełącznik, ale rezystancja włączenia kanału nie zmniejsza się całkowicie do zera ze względu na jej wartość RDS(on), ale staje się bardzo mała.
Podobnie, gdy VIN jest LOW lub zredukowany do zera, punkt Q MOSFET-a przesuwa się z punktu A do punktu B wzdłuż linii obciążenia. Rezystancja kanału jest bardzo duża, więc tranzystor zachowuje się jak obwód otwarty i przez kanał nie płynie żaden prąd. Jeśli więc napięcie bramki tranzystora MOSFET przełącza się między dwiema wartościami, HIGH i LOW, tranzystor MOSFET będzie zachowywał się jak przełącznik półprzewodnikowy SPST (single-pole single-throw) i to działanie jest zdefiniowane jako:
1. Cut-off Region
Warunki pracy tranzystora to zerowe napięcie bramki wejściowej ( VIN ), zerowy prąd drenu ID i napięcie wyjściowe VDS = VDD. Dlatego dla tranzystora MOSFET typu enhancement kanał przewodzący jest zamknięty i urządzenie jest przełączone „OFF”.
Charakterystyka wyłączania
 |
|
Then we can define the cut-off region or „OFF mode” when using an e-MOSFET as a switch as being, napięcie bramki, VGS < VTH więc ID = 0. W przypadku tranzystora MOSFET z kanałem P, potencjał bramki musi być bardziej dodatni w stosunku do źródła.
2. Region nasycenia
W regionie nasycenia lub liniowym, tranzystor będzie tak spolaryzowany, że maksymalna ilość napięcia bramki zostanie przyłożona do urządzenia, co spowoduje, że rezystancja kanału RDS(on) będzie tak mała jak to tylko możliwe przy maksymalnym prądzie drenu płynącym przez przełącznik MOSFET. Dlatego dla MOSFET-u typu enhancement kanał przewodzący jest otwarty i urządzenie jest przełączone „ON”.
Charakterystyka nasycenia
 |
|
Wtedy możemy zdefiniować region nasycenia lub „tryb ON”, gdy używamy e-MOSFET jako przełącznika, jako napięcie bramka-źródło, VGS > VTH zatem ID = Maximum. W przypadku wzmacniacza MOSFET z kanałem P, potencjał bramki musi być bardziej ujemny w stosunku do źródła.
Przez przyłożenie odpowiedniego napięcia sterującego do bramki FET, rezystancja kanału dren-źródło, RDS(on) może być zmienna od „rezystancji wyłączenia” wielu setek kΩ, efektywnie otwartego obwodu, do „rezystancji włączenia” mniejszej niż 1Ω, efektywnie działającej jako zwarcie.
Korzystając z MOSFET-a jako przełącznika możemy spowodować, że MOSFET będzie się włączał szybciej lub wolniej, albo będzie przepuszczał duże lub małe prądy. Ta zdolność do włączania i wyłączania MOSFET-a pozwala na użycie go jako bardzo wydajnego przełącznika o szybkości przełączania znacznie większej niż w przypadku standardowych tranzystorów bipolarnych.
Przykład użycia MOSFET-a jako przełącznika
W tym układzie scalonym N-kanałowy MOSFET pracujący w trybie Enhancement-mode jest używany do włączania i wyłączania prostej lampy (może to być również dioda LED).
Napięcie wejściowe bramki VGS jest doprowadzone do odpowiedniego poziomu napięcia dodatniego, aby włączyć urządzenie, a zatem obciążenie lampy, albo „ON”, ( VGS = +ve ), albo do poziomu napięcia zerowego, które wyłącza urządzenie „OFF”, ( VGS = 0V ).
Jeśli obciążenie rezystancyjne lampy miałoby być zastąpione obciążeniem indukcyjnym, takim jak cewka, cewka lub przekaźnik, „dioda zamachowa” byłaby wymagana równolegle z obciążeniem, aby chronić MOSFET przed jakimkolwiek samoistnie generowanym prądem wstecznym.
Powyżej pokazano bardzo prosty obwód do przełączania obciążenia rezystancyjnego, takiego jak lampa lub dioda LED. Ale kiedy używamy MOSFETów mocy do przełączania obciążeń indukcyjnych lub pojemnościowych, wymagana jest pewna forma ochrony, aby zapobiec uszkodzeniu MOSFETów. Wywoływanie obciążenia indukcyjnego ma odwrotny efekt niż wywoływanie obciążenia pojemnościowego.
Na przykład, kondensator bez ładunku elektrycznego jest zwarty, co powoduje duży „rozruch” prądu, a kiedy zdejmujemy napięcie z obciążenia indukcyjnego, mamy duży wzrost napięcia wstecznego, ponieważ pole magnetyczne zapada się, co powoduje indukowany prąd wsteczny w uzwojeniach cewki indukcyjnej.
Więc możemy podsumować charakterystykę przełączania zarówno N-kanałowego, jak i P-kanałowego typu MOSFET w poniższej tabeli.
| MOSFET Typ | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-kanał Enhancement | OFF | OFF | ON |
| N-channel Depletion | OFF | ON | ON |
| P-channel Enhancement | ON | OFF | OFF |
| P-channel Depletion | ON | ON | OFF |
Zauważ, że w przeciwieństwie do N-MOSFET, którego zacisk bramki musi być bardziej dodatni (przyciągający elektrony) niż źródło, aby umożliwić przepływ prądu przez kanał, przewodzenie przez MOSFET z kanałem P jest spowodowane przepływem dziur. Oznacza to, że bramka MOSFET-u P-kanałowego musi być bardziej ujemna niż źródło i przestanie przewodzić (odcięcie) tylko wtedy, gdy bramka będzie bardziej dodatnia niż źródło.
Więc, aby MOSFET mocy typu enhancement działał jako analogowe urządzenie przełączające, musi być przełączany pomiędzy jego „regionem odcięcia”, gdzie: VGS = 0V (lub VGS = -ve) a jego „Regionem nasycenia” gdzie: VGS(on) = +ve. Moc rozpraszana w MOSFET ( PD ) zależy od prądu płynącego przez kanał ID w stanie nasycenia, a także od „rezystancji włączenia” kanału podanej jako RDS(on). Na przykład.
MOSFET jako przełącznik Przykład nr 1
Załóżmy, że lampa ma napięcie znamionowe 6V, 24W i jest w pełni „ON”, standardowy MOSFET ma rezystancję włączenia kanału ( RDS(on) ) o wartości 0.1ohm. Oblicz moc rozpraszaną w przełączniku MOSFET.
Prąd płynący przez lampę jest obliczany jako:
Wtedy moc rozpraszana w MOSFET będzie podana jako:
Możesz siedzieć tam i myśleć, no i co z tego! ale kiedy używasz MOSFET jako przełącznika do sterowania silnikami DC lub obciążeniami elektrycznymi o dużych prądach rozruchowych, rezystancja kanału „ON” (RDS(on)) pomiędzy drenem a źródłem jest bardzo ważna. Na przykład, MOSFETy sterujące silnikami prądu stałego, są narażone na duży prąd rozruchowy, gdy silnik po raz pierwszy zaczyna się obracać, ponieważ prąd rozruchowy silnika jest ograniczony tylko przez bardzo niską wartość rezystancji uzwojeń silnika.
Jako że podstawowa zależność mocy to: P = I2R, to wysoka wartość rezystancji kanału RDS(on) spowodowałaby po prostu, że duże ilości mocy byłyby rozpraszane i marnowane w samym MOSFET-cie powodując nadmierny wzrost temperatury, co w przypadku braku kontroli mogłoby spowodować, że MOSFET stałby się bardzo gorący i uległby uszkodzeniu w wyniku przeciążenia termicznego.
Niższa wartość RDS(on) dla rezystancji kanału jest również pożądanym parametrem, ponieważ pomaga zmniejszyć efektywne napięcie nasycenia kanału ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) na MOSFET i dlatego będzie działać w niższej temperaturze. MOSFET-y mocy mają zwykle wartość RDS(on) mniejszą niż 0,01Ω, co pozwala im pracować w niższej temperaturze, przedłużając ich żywotność.
Jednym z głównych ograniczeń podczas używania MOSFET-ów jako urządzeń przełączających jest maksymalny prąd drenu, który mogą obsłużyć. Tak więc parametr RDS(on) jest ważnym przewodnikiem do wydajności przełączania MOSFET i jest po prostu podany jako stosunek VDS / ID, gdy tranzystor jest przełączany „ON”.
Przy użyciu MOSFET lub jakiegokolwiek typu tranzystora polowego jako półprzewodnikowego urządzenia przełączającego, zawsze zaleca się wybrać te, które mają bardzo niską wartość RDS(on) lub przynajmniej zamontować je na odpowiednim radiatorze, aby pomóc zredukować wszelkie termiczne ucieczki i uszkodzenia. MOSFET-y mocy używane jako przełączniki mają zazwyczaj wbudowaną w swoją konstrukcję ochronę przeciwprzepięciową, ale do zastosowań wysokoprądowych lepszym wyborem jest tranzystor bipolarny.
Sterowanie silnikiem z MOSFET-em mocy
Ze względu na bardzo wysoką rezystancję wejściową lub bramkową MOSFET-a, jego bardzo szybkie przełączanie i łatwość, z jaką może być wysterowany, czyni go idealnym do współpracy z op-ampami lub standardowymi bramkami logicznymi. Należy jednak zwrócić uwagę na prawidłowy dobór napięcia wejściowego bramka-źródło, ponieważ przy zastosowaniu MOSFET-a jako przełącznika, urządzenie musi uzyskać niską rezystancję kanału RDS(on) proporcjonalnie do tego napięcia wejściowego bramki.
Niskoprogowe MOSFET-y mocy mogą nie przełączać się „ON” dopóki do ich bramki nie zostanie przyłożone co najmniej 3V lub 4V, a jeśli wyjście z bramki logicznej jest tylko +5V logiki, może to być niewystarczające do pełnego wysterowania MOSFET-a w stan nasycenia. Przy użyciu niższego progu MOSFETy zaprojektowane do współpracy z bramkami logicznymi TTL i CMOS, które mają progi tak niskie jak 1.5V do 2.0V są dostępne.
Power MOSFETy mogą być używane do sterowania ruchem silników DC lub bezszczotkowych silników krokowych bezpośrednio z logiki komputerowej lub przy użyciu sterowników typu PWM (pulse-width modulation). Ponieważ silnik prądu stałego oferuje wysoki moment rozruchowy, który jest również proporcjonalny do prądu twornika, przełączniki MOSFET wraz z PWM mogą być wykorzystane jako bardzo dobry regulator prędkości, który zapewni płynną i cichą pracę silnika.
Proste sterowanie silnikiem MOSFET mocy
Jako że obciążenie silnika jest indukcyjne, prosta dioda zamachowa jest podłączona w poprzek obciążenia indukcyjnego, aby rozproszyć wszelkie wsteczne fale elektromagnetyczne generowane przez silnik, gdy MOSFET wyłącza go „OFF”. Sieć zaciskowa utworzona przez diodę zenera szeregowo z diodą może być również użyta w celu umożliwienia szybszego przełączania i lepszej kontroli szczytowego napięcia wstecznego i czasu odpadania.
Dla zwiększenia bezpieczeństwa dodatkowa dioda krzemowa lub dioda zenera D1 może być również umieszczona w kanale przełącznika MOSFET, gdy używane są obciążenia indukcyjne, takie jak silniki, przekaźniki, solenoidy, itp. Rezystor RGS jest używany jako rezystor ściągający, aby pomóc ściągnąć napięcie wyjściowe TTL do 0V, gdy MOSFET jest przełączony „OFF”.
P-kanałowy przełącznik MOSFET
Do tej pory patrzyliśmy na N-kanałowy MOSFET jako przełącznik, w którym MOSFET jest umieszczony pomiędzy obciążeniem a masą. Pozwala to również na odniesienie sygnału bramkowego lub przełączającego MOSFET-a do masy (low-side switching).
P-channel
MOSFET Switch
Ale w niektórych aplikacjach wymagamy użycia P-channel enhancement-mode MOSFET, gdzie obciążenie jest podłączone bezpośrednio do masy. W tym przypadku przełącznik MOSFET jest podłączony pomiędzy obciążeniem a dodatnią szyną zasilania (przełączanie górno-boczne), tak jak w przypadku tranzystorów PNP.
W urządzeniu P-kanałowym konwencjonalny przepływ prądu drenu jest w kierunku ujemnym, więc ujemne napięcie bramka-źródło jest stosowane do przełączania tranzystora „ON”.
Jest to osiągane, ponieważ P-kanałowy MOSFET jest „do góry nogami” z jego zaciskiem źródłowym związanym z dodatnim zasilaniem +VDD. Kiedy przełącznik przechodzi w stan niski (LOW), MOSFET włącza się, a kiedy przełącznik przechodzi w stan wysoki (HIGH), MOSFET wyłącza się (OFF).
To odwrócone połączenie przełącznika MOSFET z kanałem P pozwala nam połączyć go szeregowo z MOSFETem z kanałem N, aby uzyskać komplementarne lub CMOS urządzenie przełączające, jak pokazano na rysunku po stronie podwójnego zasilania.
Komplementarny sterownik silnika MOSFET
Dwa MOSFETy są skonfigurowane do produkcji dwukierunkowego przełącznika z podwójnego zasilania z silnikiem podłączonym pomiędzy wspólnym drenem a masą odniesienia. Kiedy wejście jest NISKIE, P-kanałowy MOSFET jest włączony, ponieważ jego bramka-źródło jest ujemnie spolaryzowana, więc silnik obraca się w jednym kierunku. Do napędu silnika wykorzystywana jest tylko dodatnia szyna zasilania +VDD.
Gdy wejście jest HIGH, P-channel urządzenie przełącza-OFF i N-channel urządzenie przełącza-ON jak jego bramka-źródło junction jest dodatnie biased. Silnik obraca się teraz w przeciwnym kierunku, ponieważ napięcie końcowe silnika zostało odwrócone, ponieważ jest teraz zasilany przez ujemną szynę zasilania -VDD.
Teraz P-kanałowy MOSFET jest używany do przełączania dodatniego zasilania silnika w kierunku do przodu (przełączanie górno-boczne), podczas gdy N-kanałowy MOSFET jest używany do przełączania ujemnego zasilania silnika w kierunku odwrotnym (przełączanie dolno-boczne).
Istnieją różne konfiguracje do napędzania dwóch MOSFET-ów z wielu różnych zastosowań. Oba urządzenia P-kanałowe i N-kanałowe mogą być napędzane przez pojedynczy układ scalony sterujący bramką, jak pokazano na rysunku.
Jednakże, aby uniknąć przewodzenia krzyżowego z obydwoma MOSFETami przewodzącymi w tym samym czasie przez dwie polaryzacje podwójnego zasilania, wymagane są szybkie urządzenia przełączające, aby zapewnić pewną różnicę czasową pomiędzy ich wyłączeniem i włączeniem. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu jest osobne wysterowanie bramek obu MOSFETów. W ten sposób powstaje trzecia opcja „STOP” dla silnika, gdy oba MOSFETy są „OFF”.
Tablica komplementarnego sterowania silnikiem MOSFET
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Funkcja silnika |
| OFF | OFF | Silnik zatrzymany (OFF) |
| ON | OFF | Silnik obraca się do przodu |
| OFF | ON | Motor Rotates Reverse |
| ON | ON | NOT ALLOWED |
Please note it is important that there are no other combination of inputs allowed at the same time as this may cause the power supply to become shorted out, ponieważ oba MOSFETY, FET1 i FET2 mogłyby zostać włączone razem, co spowodowałoby: ( fuse = bang! ), be warned.
.