Vi såg tidigare att N-kanals MOSFET i förbättringsläge (e-MOSFET) arbetar med en positiv ingångsspänning och har ett extremt högt ingångsmotstånd (nästan oändligt), vilket gör att det är möjligt att koppla ihop den med nästan alla logiska grindar eller drivrutiner som kan producera en positiv utgång.
Vi såg också att vi på grund av detta mycket höga ingångsmotstånd (gate) säkert kan parallellkoppla många olika MOSFETS tills vi uppnår den strömhanteringskapacitet som vi behövde.
Och även om det genom att parallellkoppla olika MOSFETS kan göra det möjligt för oss att koppla höga strömmar eller högspänningslaster, blir det dyrt och opraktiskt att göra detta både när det gäller komponenter och utrymme på kretskortet. För att övervinna detta problem utvecklades kraftfältseffekttransistorer (Power FET).V
Vi vet nu att det finns två huvudsakliga skillnader mellan fälteffekttransistorer, endast utarmningsläge för JFET:er och både förstärkningsläge och utarmningsläge för MOSFET:er. I den här handledningen kommer vi att titta på hur man använder en MOSFET i förstärkningsläge som en switch, eftersom dessa transistorer kräver en positiv spänning vid grinden för att slå på och en nollspänning för att slå av, vilket gör att de lätt kan förstås som switchar och är lätta att koppla ihop med logiska grindar.
Den förstärkningslägesbaserade MOSFET:s, eller e-MOSFET:s, funktion kan bäst beskrivas med hjälp av kurvorna för I-V-karaktäristik som visas nedan. När ingångsspänningen ( VIN ) till transistorens grind är noll, leder MOSFET:n praktiskt taget ingen ström och utgångsspänningen ( VOUT ) är lika med matningsspänningen VDD. MOSFET:n är alltså ”OFF” och arbetar inom sitt ”cut-off”-område.
MOSFET-kurvor för karakteristik
Den minsta gate-spänning i ON-tillstånd som krävs för att säkerställa att MOSFET:n förblir ”ON” när den leder den valda dräneringsströmmen kan bestämmas från V-I-överföringskurvorna ovan. När VIN är HÖG eller lika med VDD flyttas MOSFETens Q-punkt till punkt A längs belastningslinjen.
Drainströmmen ID ökar till sitt maximala värde på grund av en minskning av kanalmotståndet. ID blir ett konstant värde oberoende av VDD och är endast beroende av VGS. Därför beter sig transistorn som en stängd brytare, men kanalens ON-motstånd minskar inte helt till noll på grund av sitt RDS(on)-värde, utan blir mycket litet.
På samma sätt, när VIN är LÅG eller reducerad till noll, rör sig MOSFETens Q-punkt från punkt A till punkt B längs belastningslinjen. Kanalmotståndet är mycket högt så transistorn fungerar som en öppen krets och ingen ström flyter genom kanalen. Om MOSFET:s grindspänning växlar mellan två värden, HÖG och LÅG, kommer MOSFET:n att bete sig som en ”single-pole single-throw” (SPST) solid state switch och denna åtgärd definieras som:
1. Cut-off Region
Här är driftförhållandena för transistorn noll ingångsgrindspänning ( VIN ), noll dräneringsström ID och utgångsspänning VDS = VDD. För en MOSFET av förstärkningstyp är därför den ledande kanalen stängd och enheten är avstängd.
Avstängningskaraktäristik
 |
|
Därmed kan vi definiera avstängningsområdet eller ”OFF-läget” när vi använder en e-MOSFET som en brytare som följer, Gate-spänning, VGS < VTH, vilket innebär att ID = 0. För en P-kanals förstärknings-MOSFET måste gatepotentialen vara mer positiv i förhållande till källan.
2. Mättnadsregionen
I mättnadsregionen eller den linjära regionen kommer transistorn att vara förspänd så att den maximala mängden gatuspänning appliceras på anordningen, vilket resulterar i att kanalmotståndet RDS(on) är så litet som möjligt med maximal dränström som flödar genom MOSFET-omkopplaren. För MOSFET av förstärkningstyp är därför den ledande kanalen öppen och enheten är påslagen.
Mättnadskarakteristik
 |
|
Därefter kan vi definiera mättnadsområdet eller ”ON-läget” när vi använder en e-MOSFET som brytare som grindkällspänning VGS > VTH och därmed ID = maximal. För en P-kanals förstärknings-MOSFET måste gatepotentialen vara mer negativ i förhållande till källan.
Genom att applicera en lämplig drivspänning på en FET:s gate kan motståndet i drain-källkanalen, RDS(on), varieras från ett ”OFF-motstånd” på många hundra kΩ, som i själva verket är en öppen krets, till ett ”ON-motstånd” på mindre än 1Ω, som i själva verket fungerar som en kortslutning.
När vi använder MOSFET:n som brytare kan vi driva MOSFET:n så att den slår på snabbare eller långsammare eller släpper igenom höga eller låga strömmar. Denna förmåga att slå på och av effekt-MOSFET:n gör att enheten kan användas som en mycket effektiv brytare med mycket högre växlingshastigheter än vanliga bipolära junctiontransistorer.
Ett exempel på användning av MOSFET:n som brytare
I detta kretsarrangemang används en N-kanalig MOSFET med förstärkningsläge för att slå på och av en enkel lampa (skulle också kunna vara en lysdiod).
Gateingångsspänningen VGS tas till en lämplig positiv spänningsnivå för att slå enheten och därmed lampbelastningen antingen ”PÅ”, ( VGS = +ve ) eller på en nollspänningsnivå som slår enheten ”AV”, ( VGS = 0V ).
Om lampans resistiva belastning skulle ersättas av en induktiv belastning, t.ex. en spole, en solenoid eller ett relä, skulle det krävas en ”svänghjulsdiod” parallellt med belastningen för att skydda MOSFET:n mot självgenererad back-emf.
Ovan visas en mycket enkel krets för att koppla en resistiv belastning, t.ex. en lampa eller en lysdiod. Men när man använder effekt-MOSFETs för att koppla antingen induktiva eller kapacitiva laster krävs någon form av skydd för att förhindra att MOSFET-enheten skadas. Att driva en induktiv last har motsatt effekt jämfört med att driva en kapacitiv last.
En kondensator utan elektrisk laddning är t.ex. en kortslutning, vilket resulterar i en hög ”inrush”-ström, och när vi tar bort spänningen från en induktiv last får vi en stor omvänd spänning som byggs upp när magnetfältet kollapsar, vilket resulterar i en inducerad motspänning i induktorns lindningar.
Då kan vi sammanfatta kopplingsegenskaperna för både N- och P-kanals MOSFET:s typ i följande tabell.
| MOSFET Typ | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 | |
| N-.kanalförstärkning | OFF | OFF | ON | |
| N-kanalutarmning | OFF | ON | ON | ON |
| P-kanalförstärkning | ON | OFF | OFF | |
| P-kanalförstöring | ON | ON | ON | OFF |
Nota att till skillnad från N-kanal MOSFET vars grindterminal måste göras mer positiv (attraherar elektroner) än källan för att strömmen ska kunna flöda genom kanalen, ledningen genom P-kanalens MOSFET beror på flödet av hål. Det innebär att grindterminalen i en P-kanals MOSFET måste göras mer negativ än källan och kommer endast att sluta leda (cut-off) tills grinden är mer positiv än källan.
Så för att en förstärkningstyps effekt-MOSFET ska fungera som en analog omkopplingsanordning måste den kopplas om mellan dess ”cut-off-region”, där: VGS = 0V (eller VGS = -ve) och dess ”mättnadsområde” där VGS(on) = +ve. Den effekt som går åt i MOSFET:n ( PD ) beror på den ström som flyter genom kanal-ID vid mättnad och även kanalens ”ON-motstånd” som anges som RDS(on). Till exempel.
MOSFET som strömbrytare Exempel nr 1
Antag att lampan har en nominell effekt på 6 V, 24 W och är helt ”på”, standard-MOSFET:en har ett värde för kanalens påslagsmotstånd ( RDS(on) ) på 0,1 ohm. Beräkna den uteblivna effekten i MOSFET-omkopplaren.
Den ström som flyter genom lampan beräknas som:
Den uteblivna effekten i MOSFET:n ges då som:
Du kanske sitter där och tänker, ja, och så vidare!, men när man använder MOSFET:n som en omkopplare för att styra likströmsmotorer eller elektriska belastningar med höga inströmmar är ”ON”-kanalmotståndet ( RDS(on) ) mellan drain och källa mycket viktigt. MOSFETs som styr likströmsmotorer utsätts till exempel för en hög inkopplingsström när motorn först börjar rotera, eftersom motorns startström endast begränsas av det mycket låga motståndsvärdet hos motorns lindningar.
Som det grundläggande effektförhållandet är: P = I2R, så skulle ett högt RDS(on) kanalmotståndsvärde helt enkelt resultera i att stora mängder ström går förlorad och slösas bort i själva MOSFET:n, vilket resulterar i en överdriven temperaturhöjning som, om den inte kontrolleras, kan resultera i att MOSFET:n blir mycket varm och skadas på grund av en termisk överbelastning.
Ett lägre RDS(on)-värde för kanalmotståndet är också en önskvärd parameter eftersom det bidrar till att minska kanalens effektiva mättnadsspänning ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) över MOSFET:n och kommer därför att fungera vid en svalare temperatur. Power MOSFETs har i allmänhet ett RDS(on)-värde på mindre än 0,01Ω vilket gör att de kan köras svalare, vilket förlänger deras operativa livslängd.
En av de viktigaste begränsningarna när man använder en MOSFET som en kopplingsanordning är den maximala dräneringsström som den kan hantera. Så parametern RDS(on) är en viktig vägledning för MOSFET:s kopplingseffektivitet och anges helt enkelt som förhållandet mellan VDS / ID när transistorn är kopplad ”ON”.
När man använder en MOSFET eller någon annan typ av fälteffekttransistor för den delen som en fastströmsomkopplare är det alltid tillrådligt att välja sådana som har ett mycket lågt RDS(on)-värde eller åtminstone montera dem på en lämplig kylfläns för att bidra till att minska eventuell termisk överbelastning och skador. Power MOSFETs som används som brytare har i allmänhet ett överspänningsskydd inbyggt i sin konstruktion, men för högströmstillämpningar är den bipolära junctiontransistorn ett bättre val.
Power MOSFET Motor Control
På grund av det extremt höga ingångs- eller grindmotståndet som MOSFETs har, dess mycket snabba växlingshastigheter och den lätthet med vilken de kan drivas gör dem idealiska för gränssnittet mot op-förstärkare eller vanliga logiska grindar. Man måste dock se till att ingångsspänningen för grindkällan väljs korrekt, eftersom när MOSFET:n används som brytare måste enheten få ett lågt kanalmotstånd RDS(on) i proportion till denna ingångsspänning.
Power-MOSFET:er av lågtröskeltyp kanske inte kopplar ”ON” förrän minst 3 V eller 4 V har lagts på dess grind, och om utgången från den logiska grinden endast är +5 V logiskt kan den vara otillräcklig för att driva MOSFET:n till mättnad helt och hållet. Det finns MOSFETs med lägre tröskelvärde som är utformade för gränssnitt mot TTL- och CMOS-logikgrindar med så låga tröskelvärden som 1,5 V till 2,0 V.
Power MOSFETs kan användas för att styra rörelsen hos likströmsmotorer eller borstlösa stegmotorer direkt från datorlogik eller med hjälp av styrenheter av typen pulsbreddsmodulering (PWM). Eftersom en likströmsmotor har ett högt startmoment, som också är proportionellt mot ankarströmmen, kan MOSFET-switchar tillsammans med PWM användas som en mycket bra hastighetsregulator som ger en jämn och tyst motordrift.
En enkel MOSFET-motorstyrning
Då motorns belastning är induktiv är en enkel svänghjulsdiod ansluten över den induktiva belastningen för att avleda eventuell backemf som genereras av motorn när MOSFET:n stänger av den. Ett klämnätverk som bildas av en zenerdiod i serie med dioden kan också användas för att möjliggöra snabbare omkoppling och bättre kontroll av den högsta backspänningen och avbrottstiden.
För ökad säkerhet kan en extra kisel- eller zenerdiod D1 också placeras över MOSFET-omkopplarens kanal vid användning av induktiva laster, t.ex. motorer, reläer, solenoider osv. för att undertrycka omkopplingstransienter och buller vid överspänning, vilket ger extra skydd för MOSFET-omkopplaren om så krävs. Motståndet RGS används som ett neddragningsmotstånd för att hjälpa till att dra ner TTL-utgångsspänningen till 0 V när MOSFET:n är avstängd.
P-kanalig MOSFET-omkopplare
Här långt har vi tittat på den N-kanaliga MOSFET:n som omkopplare, där MOSFET:n är placerad mellan belastningen och jorden. Detta gör det också möjligt för MOSFET:s grinddrivning eller omkopplingssignal att refereras till jord (low-side switching).
P-kanal
MOSFET Switch
Men i vissa tillämpningar kräver vi att vi använder P-kanaliga MOSFET:er i förstärkningsläge, där belastningen är ansluten direkt till jord. I detta fall är MOSFET-omkopplaren ansluten mellan belastningen och den positiva försörjningsskenan (high-side switching) som vi gör med PNP-transistorer.
I en P-kanalsanordning är det konventionella flödet av dräneringsströmmen i den negativa riktningen, så en negativ spänning från grinden till källan läggs på för att koppla om transistorn till ”ON”.
Detta åstadkoms genom att P-kanals-MOSFET:n är ”uppochnedvänd” med källterminalen bunden till den positiva försörjningsenheten +VDD. När kontakten går på LOW slår MOSFET:n på och när kontakten går på HIGH slår MOSFET:n av.
Denna upp och ner-anslutning av en P-kanals MOSFET-omkopplare med förstärkningsläge gör det möjligt att koppla den i serie med en N-kanals MOSFET med förstärkningsläge för att åstadkomma en komplementär eller CMOS-omkopplingsanordning, som visas över en dubbelmatning.
Komplementär MOSFET-motorstyrning
De två MOSFET:erna är konfigurerade för att producera en dubbelriktad omkopplare från en dubbelmatning med motorn ansluten mellan den gemensamma dräneringsanslutningen och jordreferensen. När ingången är LOW är P-kanalens MOSFET påslagen eftersom dess grind-källförbindelse är negativt polariserad så att motorn roterar i en riktning. Endast den positiva +VDD-försörjningsskenan används för att driva motorn.
När ingången är HÖG, kopplar P-kanalenheten av och N-kanalenheten kopplar på eftersom dess grind-källförbindelse är positivt polariserad. Motorn roterar nu i motsatt riktning eftersom motorns terminalspänning har blivit omvänd eftersom den nu försörjs av den negativa -VDD-försörjningsskenan.
Därefter används P-kanalens MOSFET för att koppla om den positiva försörjningen till motorn för framåtriktad riktning (high-side switching) medan N-kanalens MOSFET används för att koppla om den negativa försörjningen till motorn för bakåtriktad riktning (low-side switching).
Det finns en mängd olika konfigurationer för att driva de två MOSFETerna med många olika tillämpningar. Både P-kanalen och N-kanalenheterna kan drivas av en enda grinddrivnings-CI som visas.
För att undvika korskoppling med båda MOSFET:erna som leder samtidigt över de två polariteterna i den dubbla försörjningen krävs dock snabba omkopplingsanordningar för att ge en viss tidsdifferens mellan att de stängs av och att den andra slås på. Ett sätt att lösa detta problem är att driva båda MOSFETS-gatorna separat. Detta ger ett tredje alternativ som innebär att motorn stängs av när båda MOSFETS är avstängda.
Tabell för kompletterande MOSFET-motorstyrning
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Motorfunktion |
| OFF | OFF | Motor stoppad (OFF) |
| ON | OFF | Motor roterar framåt |
| OFF | ON | Motorn roterar bakåt |
| ON | ON | NOT ALLOWED |
Vänligen observera att det är viktigt att det inte finns några andra kombinationer av ingångar som tillåts samtidigt, eftersom detta kan leda till att strömförsörjningen blir kortsluten, eftersom båda MOSFETS, FET1 och FET2 kan kopplas på samtidigt, vilket resulterar i: ( säkring = smäll! ), varnas.
