MOSFET ca întrerupător

Am văzut anterior că MOSFET-ul cu canal N, în mod de îmbunătățire (e-MOSFET) funcționează folosind o tensiune de intrare pozitivă și are o rezistență de intrare extrem de mare (aproape infinită), ceea ce face posibilă interfața cu aproape orice poartă logică sau driver capabil să producă o ieșire pozitivă.

Am văzut, de asemenea, că datorită acestei rezistențe de intrare (poarta) foarte ridicate putem pune în paralel în siguranță mai multe MOSFET-uri diferite până când obținem capacitatea de tratare a curentului de care avem nevoie.

În timp ce conectarea în paralel a mai multor MOSFET-uri ne poate permite să comutăm curenți mari sau sarcini de înaltă tensiune, acest lucru devine costisitor și nepractic atât din punct de vedere al componentelor, cât și al spațiului pe placa de circuit. Pentru a depăși această problemă, au fost dezvoltate tranzistoare cu efect de câmp de putere sau FET de putere.V

Acum știm că există două diferențe principale între tranzistoarele cu efect de câmp, modul de epuizare numai pentru JFET-uri și atât modul de îmbunătățire, cât și modul de epuizare pentru MOSFET-uri. În acest tutorial vom analiza utilizarea MOSFET-ului în mod de îmbunătățire ca întrerupător, deoarece aceste tranzistoare necesită o tensiune de poartă pozitivă pentru a se „porni” și o tensiune zero pentru a se opri, ceea ce le face ușor de înțeles ca întrerupătoare și, de asemenea, ușor de interfațat cu porțile logice.

Funcționarea MOSFET-ului în mod de îmbunătățire, sau e-MOSFET, poate fi cel mai bine descrisă folosind curbele caracteristicilor sale I-V prezentate mai jos. Atunci când tensiunea de intrare, ( VIN ) la poarta tranzistorului este zero, MOSFET-ul nu conduce practic niciun curent, iar tensiunea de ieșire ( VOUT ) este egală cu tensiunea de alimentare VDD. Așadar, MOSFET-ul este „oprit”, funcționând în regiunea sa de „tăiere”.

Curbele caracteristicilor MOSFET

Tensiunea minimă de poartă în stare ON necesară pentru a asigura că MOSFET-ul rămâne „ON” atunci când conduce curentul de drenaj selectat poate fi determinată din curbele de transfer V-I de mai sus. Când VIN este HIGH sau egal cu VDD, punctul Q al MOSFET-ului se mută în punctul A de-a lungul liniei de sarcină.

Curentul de drenaj ID crește până la valoarea sa maximă datorită reducerii rezistenței canalului. ID devine o valoare constantă, independentă de VDD, și depinde doar de VGS. Prin urmare, tranzistorul se comportă ca un comutator închis, dar rezistența ON a canalului nu se reduce complet la zero datorită valorii sale RDS(on), ci devine foarte mică.

La fel, când VIN este LOW sau redus la zero, punctul Q al MOSFET-ului se mută din punctul A în punctul B de-a lungul liniei de sarcină. Rezistența canalului este foarte mare, astfel încât tranzistorul se comportă ca un circuit deschis și niciun curent nu trece prin canal. Așadar, dacă tensiunea de poartă a MOSFET-ului oscilează între două valori, HIGH și LOW, MOSFET-ul se va comporta ca un comutator în stare solidă „single-pole single-throw” (SPST), iar această acțiune este definită astfel:

1. Regiunea de deconectare

Aici, condițiile de funcționare a tranzistorului sunt tensiune de poartă de intrare zero ( VIN ), curent de drenaj ID zero și tensiune de ieșire VDS = VDD. Prin urmare, pentru un MOSFET de tip îmbunătățire, canalul conductiv este închis și dispozitivul este comutat „OFF”.

Caracteristicile de deconectare

– Intrarea și poarta sunt împământate ( 0V ) – Tensiunea poartă-sursă mai mică decât tensiunea de prag VGS < VTH – MOSFET-ul este „OFF” ( Cut-off region ) – Nu circulă curent de drenaj ( ID = 0 Amperi ) – VOUT = VDS = VDD = „1″ – MOSFET-ul funcționează ca un „comutator deschis”

Atunci putem defini regiunea de tăiere sau „modul OFF” atunci când folosim un e-MOSFET ca un comutator ca fiind, tensiunea de poartă, VGS < VTH astfel ID = 0. Pentru un MOSFET de îmbunătățire cu canal P, potențialul de poartă trebuie să fie mai pozitiv în raport cu sursa.

2. Regiunea de saturație

În regiunea de saturație sau liniară, tranzistorul va fi polarizat astfel încât cantitatea maximă de tensiune de poartă să fie aplicată dispozitivului, ceea ce face ca rezistența de canal RDS(on) să fie cât mai mică posibil, cu un curent de drenaj maxim care circulă prin comutatorul MOSFET. Prin urmare, pentru MOSFET-ul de tip „enhancement”, canalul conductiv este deschis și dispozitivul este comutat „ON”.

Caracteristici de saturație

– Intrarea și poarta sunt conectate la VDD – Poarta-sursa de tensiune este mult mai mare decât tensiunea de prag VGS > VTH – MOSFET-ul este „ON” ( regiunea de saturație ) – Fluxul maxim de curent de drenaj ( ID = VDD / RL ) – VDS = 0V (saturație ideală) – Rezistența minimă a canalului RDS(on) < 0.1Ω – VOUT = VDS ≅ 0,2V datorită RDS(on) – MOSFET-ul funcționează ca un „întrerupător închis” cu rezistență scăzută”

Apoi putem defini regiunea de saturație sau „modul ON” atunci când folosim un e-MOSFET ca întrerupător ca tensiune poartă-sursă, VGS > VTH astfel ID = Maxim. Pentru un MOSFET de îmbunătățire cu canal P, potențialul porții trebuie să fie mai negativ în raport cu cel al sursei.

Prin aplicarea unei tensiuni de comandă adecvate la poarta unui FET, rezistența canalului drenă-sursă, RDS(on), poate fi variată de la o „rezistență OFF” de multe sute de kΩ, efectiv un circuit deschis, la o „rezistență ON” de mai puțin de 1Ω, acționând efectiv ca un scurtcircuit.

Când folosim MOSFET-ul ca întrerupător, putem comanda MOSFET-ul să se „pornească” mai repede sau mai încet, sau să treacă curenți mari sau mici. Această capacitate de a transforma MOSFET-ul de putere în „ON” și „OFF” permite ca dispozitivul să fie utilizat ca un comutator foarte eficient, cu viteze de comutare mult mai rapide decât tranzistorii bipolari standard de joncțiune.

Un exemplu de utilizare a MOSFET-ului ca comutator

În acest aranjament de circuit, un MOSFET cu canal N în mod de îmbunătățire este utilizat pentru a comuta o lampă simplă „ON” și „OFF” (ar putea fi, de asemenea, un LED).

Tensiunea de intrare a porții VGS este dusă la un nivel de tensiune pozitivă adecvat pentru a activa dispozitivul și, prin urmare, sarcina lămpii, fie la „ON”, ( VGS = +ve ), fie la un nivel de tensiune zero care face ca dispozitivul să fie „OFF”, ( VGS = 0V ).

Dacă sarcina rezistivă a lămpii ar urma să fie înlocuită cu o sarcină inductivă, cum ar fi o bobină, un solenoid sau un releu, ar fi necesară o „diodă volantă” în paralel cu sarcina pentru a proteja MOSFET-ul de orice contra-emf autogenerată.

Curentul de mai sus arată un circuit foarte simplu pentru comutarea unei sarcini rezistive, cum ar fi o lampă sau un LED. Dar atunci când se utilizează MOSFET-uri de putere pentru a comuta sarcini inductive sau capacitive este necesară o anumită formă de protecție pentru a preveni deteriorarea dispozitivului MOSFET. Acționarea unei sarcini inductive are un efect opus față de acționarea unei sarcini capacitive.

De exemplu, un condensator fără sarcină electrică este un scurtcircuit, rezultând o „pornire” mare de curent, iar atunci când eliminăm tensiunea de la o sarcină inductivă avem o acumulare mare de tensiune inversă pe măsură ce câmpul magnetic se prăbușește, rezultând o tensiune de întoarcere indusă în înfășurările inductorului.

Atunci putem rezuma caracteristicile de comutație ale MOSFET-urilor de tip N-channel și P-channel în cadrul tabelului următor.

MOSFET tip	VGS ≪ 0	VGS = 0	VGS ≫ 0
N-.canal Enhancement	OFF	OFF	ON
N-channel Depletion	OFF	ON	ON	ON
P-.channel Enhancement	ON	OFF	OFF
P-channel Depletion	ON	ON	ON	OFF

Rețineți că, spre deosebire de canalul N-canal MOSFET al cărui terminal de poartă trebuie să fie făcut mai pozitiv (atrăgând electroni) decât sursa pentru a permite curentului să circule prin canal, conducția prin MOSFET-ul cu canal P se datorează fluxului de găuri. Adică, terminalul de poartă al unui MOSFET cu canal P trebuie să fie mai negativ decât sursa și va înceta să mai conducă (se întrerupe) doar până când poarta este mai pozitivă decât sursa.

Atunci, pentru ca MOSFET-ul de putere de tip „enhancement” să funcționeze ca un dispozitiv de comutație analogic, acesta trebuie să fie comutat între „Regiunea de întrerupere” a acestuia, unde: VGS = 0V (sau VGS = -ve) și „Regiunea sa de saturație” unde: VGS(on) = +ve. Puterea disipată în MOSFET ( PD ) depinde de curentul care circulă prin canalul ID la saturație și, de asemenea, de „rezistența ON” a canalului, dată ca RDS(on). De exemplu.

MOSFET ca întrerupător Exemplul nr. 1

Să presupunem că lampa are o putere nominală de 6v, 24W și este complet „ON”, MOSFET-ul standard are o valoare a rezistenței de pornire a canalului ( RDS(on) ) de 0,1ohms. Calculați puterea disipată în dispozitivul de comutație MOSFET.

Curentul care circulă prin lampă se calculează ca:

Atunci puterea disipată în MOSFET va fi dată de:

S-ar putea să stați acolo și să vă gândiți, ei bine, și ce dacă? dar atunci când se utilizează MOSFET-ul ca întrerupător pentru a controla motoare de curent continuu sau sarcini electrice cu curenți de pornire mari, rezistența canalului „ON” ( RDS(on) ) între drenă și sursă este foarte importantă. De exemplu, MOSFET-urile care controlează motoarele de curent continuu, sunt supuse unui curent de pornire ridicat atunci când motorul începe să se rotească pentru prima dată, deoarece curentul de pornire al motoarelor este limitat doar de valoarea foarte mică a rezistenței înfășurărilor motoarelor.

Cum relația de bază a puterii este: P = I2R, atunci o valoare ridicată a rezistenței canalului RDS(on) ar duce pur și simplu la disiparea și irosirea unor cantități mari de energie în interiorul MOSFET-ului însuși, ceea ce ar duce la o creștere excesivă a temperaturii, care, dacă nu este controlată, ar putea duce la încălzirea foarte mare a MOSFET-ului și la deteriorarea acestuia din cauza unei suprasarcini termice.

O valoare RDS(on) mai mică pentru rezistența canalului este, de asemenea, un parametru de dorit, deoarece ajută la reducerea tensiunii efective de saturație a canalelor ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) pe MOSFET și, prin urmare, va funcționa la o temperatură mai scăzută. MOSFET-urile de putere au, în general, o valoare RDS(on) mai mică de 0,01Ω, ceea ce le permite să funcționeze mai rece, prelungindu-le durata de viață operațională.

Una dintre principalele limitări atunci când se utilizează un MOSFET ca dispozitiv de comutare este curentul maxim de drenaj pe care îl poate suporta. Astfel, parametrul RDS(on) este un ghid important pentru eficiența de comutare a MOSFET-ului și este dat pur și simplu ca raport VDS / ID atunci când tranzistorul este comutat „ON”.

Când se utilizează un MOSFET sau orice alt tip de tranzistor cu efect de câmp ca dispozitiv de comutare în stare solidă, este întotdeauna recomandabil să se selecteze cele care au o valoare RDS(on) foarte mică sau cel puțin să se monteze pe un radiator adecvat pentru a ajuta la reducerea oricărei scăpări și deteriorări termice. MOSFET-urile de putere utilizate ca întrerupător au, în general, o protecție la supratensiune încorporată în designul lor, dar pentru aplicațiile de curent mare tranzistorul cu joncțiune bipolară este o alegere mai bună.

Power MOSFET Motor Control

Din cauza rezistenței de intrare sau de poartă extrem de ridicată pe care o are MOSFET-ul, vitezele sale de comutare foarte rapide și ușurința cu care pot fi comandate le face ideale pentru a se interfața cu amplificatoare operaționale sau porți logice standard. Cu toate acestea, trebuie avut grijă să se asigure că tensiunea de intrare poartă-sursă este corect aleasă, deoarece, atunci când se utilizează MOSFET-ul ca întrerupător, dispozitivul trebuie să obțină o rezistență de canal RDS(on) scăzută, proporțională cu această tensiune de intrare a porții.

MOSFET-urile de putere de tip prag scăzut pot să nu comute „ON” până când nu se aplică cel puțin 3V sau 4V la poarta sa, iar dacă ieșirea de la poarta logică este de numai +5V logic, aceasta poate fi insuficientă pentru a conduce complet MOSFET-ul la saturație. Sunt disponibile MOSFET-uri cu prag mai mic concepute pentru interfațarea cu porți logice TTL și CMOS care au praguri de până la 1,5V până la 2,0V.

MOSFET-urile de putere pot fi utilizate pentru a controla mișcarea motoarelor de curent continuu sau a motoarelor pas cu pas fără perii direct din logica calculatorului sau prin utilizarea unor controlere de tip PWM (pulse-width modulation). Deoarece un motor de curent continuu oferă un cuplu de pornire ridicat și care este, de asemenea, proporțional cu curentul de armătură, comutatoarele MOSFET împreună cu un PWM pot fi utilizate ca un controler de viteză foarte bun care ar asigura o funcționare lină și silențioasă a motorului.

Controler simplu de motor MOSFET de putere

Cum sarcina motorului este inductivă, o simplă diodă de volant este conectată peste sarcina inductivă pentru a disipa orice forță electromagnetică de întoarcere generată de motor atunci când MOSFET-ul îl oprește. O rețea de fixare formată dintr-o diodă Zener în serie cu dioda poate fi, de asemenea, utilizată pentru a permite o comutare mai rapidă și un control mai bun al tensiunii inverse de vârf și al timpului de cădere.

Pentru mai multă siguranță, o diodă suplimentară D1 de siliciu sau Zener poate fi, de asemenea, plasată de-a lungul canalului unui comutator MOSFET atunci când se utilizează sarcini inductive, cum ar fi motoare, relee, solenoizi etc., pentru suprimarea tranziențelor de comutare la supratensiune și a zgomotului, oferind o protecție suplimentară comutatorului MOSFET, dacă este necesar. Rezistorul RGS este utilizat ca rezistență de coborâre pentru a ajuta la coborârea tensiunii de ieșire TTL la 0V atunci când MOSFET-ul este comutat „OFF”.

Comutator MOSFET cu canal P

Până acum am analizat MOSFET-ul cu canal N ca întrerupător, în care MOSFET-ul este plasat între sarcină și masă. Acest lucru permite, de asemenea, ca semnalul de comandă sau de comutare a porții MOSFET-ului să fie referit la masă (comutare pe partea inferioară).

Dar în unele aplicații este necesară utilizarea MOSFET-ului cu canal P cu mod de îmbunătățire, în care sarcina este conectată direct la masă. În acest caz, comutatorul MOSFET este conectat între sarcină și șina de alimentare pozitivă (comutare pe partea înaltă), așa cum facem cu tranzistoarele PNP.

Într-un dispozitiv cu canal P, fluxul convențional al curentului de drenaj este în direcția negativă, astfel încât se aplică o tensiune negativă poartă-sursă pentru a comuta tranzistorul „ON”.

Acest lucru se realizează deoarece MOSFET-ul cu canal P este „cu susul în jos”, cu terminalul său de sursă legat la sursa de alimentare pozitivă +VDD. Apoi, atunci când comutatorul trece la LOW, MOSFET-ul devine „ON”, iar atunci când comutatorul trece la HIGH, MOSFET-ul devine „OFF”.

Această conectare cu susul în jos a unui comutator MOSFET cu modul de îmbunătățire cu canal P ne permite să îl conectăm în serie cu un MOSFET cu modul de îmbunătățire cu canal N pentru a produce un dispozitiv de comutare complementar sau CMOS, așa cum se arată pe o sursă dublă de alimentare.

Controler de motor MOSFET complementar

Cele două MOSFET-uri sunt configurate pentru a produce un comutator bidirecțional de la o sursă dublă de alimentare, cu motorul conectat între conexiunea de drenă comună și referința de masă. Când intrarea este LOW, MOSFET-ul cu canalul P este pornit, deoarece joncțiunea sa poartă-sursă este polarizată negativ, astfel încât motorul se rotește într-o direcție. Pentru acționarea motorului se utilizează numai linia de alimentare pozitivă +VDD.

Când intrarea este HIGH, dispozitivul cu canal P comută-OFF și dispozitivul cu canal N comută-ON deoarece joncțiunea poartă-sursă este polarizată pozitiv. Motorul se rotește acum în direcția opusă, deoarece tensiunea la bornele motorului a fost inversată, deoarece acum este alimentat de șina de alimentare negativă -VDD.

Atunci MOSFET-ul cu canal P este utilizat pentru a comuta alimentarea pozitivă a motorului pentru direcția înainte (comutare pe partea înaltă), în timp ce MOSFET-ul cu canal N este utilizat pentru a comuta alimentarea negativă a motorului pentru direcția inversă (comutare pe partea joasă).

Există o varietate de configurații pentru comanda celor două MOSFET-uri cu multe aplicații diferite. Atât dispozitivele cu canal P, cât și cele cu canal N pot fi comandate de un singur circuit integrat de comandă a porții, așa cum este ilustrat.

Cu toate acestea, pentru a evita conducția încrucișată cu ambele MOSFET-uri care conduc în același timp pe cele două polarități ale alimentării duble, sunt necesare dispozitive de comutare rapidă pentru a asigura o anumită diferență de timp între momentul în care acestea se dezactivează și cel în care celălalt se activează. O modalitate de a depăși această problemă este de a comanda separat porțile ambelor MOSFETS. Acest lucru produce apoi o a treia opțiune de „STOP” pentru motor atunci când ambele MOSFETS sunt „OFF”.

Tabel de comandă a motorului MOSFET complementar

.

.

MOSFET 1	MOSFET 2	Funcția motorului
OFF	OFF	Motor oprit (OFF)
ON	OFF	Motor se rotește înainte
OFF	ON	Motorul se rotește în sens invers
ON	ON	NU ESTE PERMIS

Rețineți că este important să nu fie permisă nicio altă combinație de intrări în același timp, deoarece acest lucru ar putea duce la scurtcircuitarea sursei de alimentare, deoarece ambele MOSFETS, FET1 și FET2 ar putea fi comutate „ON” împreună, ceea ce ar avea ca rezultat: ( siguranță = bang! ), fiți atenți.

.