MOSFET-urile fac comutatoare electronice foarte bune pentru controlul sarcinilor și în circuitele digitale CMOS deoarece funcționează între regiunile lor de tăiere și saturație.

Am văzut anterior, că MOSFET în mod de îmbunătățire (E-MOSFET), canal-N funcționează utilizând o tensiune de intrare pozitivă și are o rezistență de intrare extrem de ridicată (aproape infinită), făcând posibilă interfața cu aproape orice poartă sau driver logic capabil să producă o ieșire pozitivă.

De asemenea, am văzut că, datorită acestei rezistențe de intrare foarte mari, putem pune în paralel, în siguranță, împreună multe MOSFET-uri diferite până când vom atinge capacitatea de manevrare a curentului cerută.

În timp ce conectăm împreună diferite MOSFET-uri în paralel ne-ar putea permite să comutăm sarcini de curenți mari sau înaltă tensiune, dar acest lucru devine costisitor și impracticabil atât în ​​componente, cât și în spațiul plăcilor de circuit. Pentru a depăși această problemă au fost dezvoltate Power FET-uri.

Știm acum că există două diferențe principale între tranzistoarele cu efect de câmp, modul de epuizare numai pentru JFET și modurile de îmbunătățire și de epuizare pentru MOSFET-uri. În acest tutorial ne vom uita la utilizarea MOSFET în modul de îmbunătățire ca un Switch deoarece aceste tranzistoare necesită o tensiune de poartă pozitivă pentru a comuta "ON" și o tensiune zero pentru a comuta "OFF", făcându-le ușor de înțeles ca întrerupătoare și, de asemenea, ușor de interfațat cu porți logice.

Funcționarea MOSFET-ului cu mod-enhancement, sau e-MOSFET, poate fi descrisă cel mai bine utilizând curbele caracteristice I-V prezentate mai jos. Când tensiunea de intrare (VIN) la poarta tranzistorului este zero, MOSFET-ul conduce practic fără curent, iar tensiunea de ieșire (VOUT) este egală cu tensiunea de alimentare VDD. Deci, MOSFET este "OFF" care operând în regiunea sa "cut-off".

Curbe caracteristice MOSFET

Tensiunea minimă a porții de stare-ON, necesară pentru a se asigura că MOSFET rămâne "ON" când se transportă curentului de drenă 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 se deplasează în punctul A de-a lungul liniei de sarcină.

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

De asemenea, când VIN este LOW sau redusă la zero, punctul Q al MOSFET se deplasează de la punctul A la punctul B de-a lungul liniei de sarcină. Rezistența canalului este foarte mare, astfel încât tranzistorul acționează ca un circuit deschis și nu trece curent prin canal. Deci, dacă tensiunea porții MOSFET se comută între două valori, HIGH și LOW, MOSFET se va comporta ca un comutator solid-state "single-pole single-throw" (SPST) și această acțiune este definită de:

1. Regiunea de tăiere

Aici, condițiile de funcționare ale tranzistorului sunt tensiunea porții de intrare zero (VIN), curentul de drenă ID zero și tensiunea de ieșire VDS = VDD. Prin urmare, pentru un MOSFET de tip îmbunătățit, canalul conductiv este închis și dispozitivul este comutat "OFF".

Caracteristici Cut-off

Atunci putem defini regiunea cut-off sau "modul OFF" când folosim un e-MOSFET ca întrerupător cu tensiunea de poartă VGS < VTH și ID = 0. Pentru un MOSFET îmbunătățit cu canal-P, potențialul Porții 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 să se aplice valoarea maximă a tensiunii de poartă pe dispozitiv, care are ca rezultat rezistența canalului RDS(ON) cât mai mică posibil cu curentul maxim de drenă care curge prin comutatorul MOSFET. Prin urmare, pentru MOSFET tip îmbunătățit, canalul conductor este deschis și dispozitivul este comutat "ON".

Caracteristici de saturație

Putem defini regiunea de saturație sau "modul ON" atunci când se utilizează un e-MOSFET ca comutator cu tensiune poartă-sursă VGS > VTH și ID = Maxim. Pentru un MOSFET îmbunătățit cu canal-P, potențialul Porții trebuie să fie mai negativ în raport cu Sursa.

Aplicând o tensiune de comandă adecvată 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" mai mică de 1 Ω, funcționând efectiv ca un scurtcircuit.

Când folosim MOSFET ca întrerupător, putem comanda MOSFET-ul pentru a comuta "ON" mai repede sau mai lent, sau pentru a trece curenții mari sau mici. Această capacitate de a comuta MOSFET-ul de putere "ON" și "OFF" permite ca dispozitivul să fie utilizat ca un comutator foarte eficient, cu viteze de comutare mult mai rapide decât tranzistoarele standard cu joncțiune bipolari.

Un exemplu de utilizare a MOSFET ca switch

În acest aranjament de circuit se utilizează un MOSFET cu mod îmbunătățit canal-N pentru a comuta o lampă simplă "ON" și "OFF" (ar putea fi și un LED).

Tensiunea de intrare pe poartă VGS este luată la un nivel de tensiune pozitivă adecvat pentru a comuta dispozitivul și, prin urmare, sarcina lampă fie "ON", (VGS = +ve), fie la nivel de tensiune zero care comută dispozitivul "OFF" (VGS = 0 V).

Dacă sarcina rezistivă a lămpii ar trebui înlocuită cu o sarcină inductivă, cum ar fi o bobină, un solenoid sau un releu, ar fi necesară o "diodă supresoare" în paralel cu sarcina pentru a proteja MOSFET-ul de orice tensiune auto-indusă inversă.

Mai sus, este prezentat 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 formă de protecție pentru a preveni deteriorarea dispozitivului MOSFET. Comanda unei sarcini inductive are efect opus față de comanda unei sarcini capacitive.

De exemplu, un condensator fără sarcină electrică este un scurtcircuit, rezultând un înalt curent de pornire și atunci când scoatem tensiunea dintr-o sarcină inductivă avem o tensiune inversă ridicată, deoarece câmpul magnetic dispare, rezultând o tensiune inversă indusă în înfășurările inductorului.

Atunci putem rezuma caracteristicile de comutare ale MOSFET canal-N și canal-P în tabelul următor.

Rețineți că, spre deosebire de MOSFET-ul canal-N al cărui terminal poartă trebuie făcut mai pozitiv (atragere de electroni) decât sursa pentru a permite curentului să curgă prin canal, conducția prin MOSFET canal-P se datorează fluxului de goluri. Astfel că terminalul porții unui MOSFET cu canal P trebuie făcut mai negativ decât sursa și va opri conducția (tăia) numai până când poarta este mai pozitivă decât sursa.

Deci, pentru ca MOSFET-ul de putere, mod îmbunătățire, să funcționeze ca un dispozitiv de comutare analogică, trebuie să fie comutat între "regiunea Cut-off" unde: VGS = 0 V (sau VGS = -ve) și "regiunea de saturație" unde VGS(on) = +ve. Puterea disipată în MOSFET (PD) depinde de curent care curge prin canal ID la saturație și, de asemenea, de „rezistența-ON“ a canalului dată de RDS(ON). De exemplu:

MOSFET ca un comutator. Exemplul nr. 1

Să presupunem că lampa este evaluată la 6V, 24W și este pe deplin "ON", MOSFETstandard are o rezistență-ON de canal (RDS(on)) în valoare de 0,1 ohmi. Calculați puterea disipată în dispozitivul de comutare MOSFET.

Curentul care curge prin lampă se calculează astfel:

Atunci, puterea disipată în MOSFET va fi dată de:

Când utilizați MOSFET ca un comutator pentru a controla motoare DC sau sarcini electrice cu curenți mari de pornire, rezistența "ON" a canalului (RDS(ON)) între drenă și sursă este foarte importantă. De exemplu, MOSFET-urile care controlează motoare DC sunt supuse unui curent ridicat de pornire atunci când motorul începe să se rotească, deoarece curentul de pornire al motoarelor este limitat doar de valoarea foarte scăzută a rezistenței înfășurărilor motoarelor.

Deoarece relația de putere este: P = I²R, atunci o valoare ridicată a rezistenței canalului RDS(ON) ar conduce pur și simplu la cantități mari de putere disipată și irosite în interiorul MOSFET rezultând o creștere a temperaturii excesivă, care, dacă nu ar fi controlată, ar putea avea ca rezultat faptul că MOSFET devine foarte fierbinte și deteriorat datorită unei supraîncărcări termice.

O valoare mai mică RDS(ON) pentru rezistența canalului este, de asemenea, un parametru de dorit deoarece ajută la reducerea tensiunii de saturație efectivă a canalelor (VDS(sat) = ID*RDS(ON)) prin MOSFET și deci va opera 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, prelungind durata lor de funcționare.

Una dintre principalele limitări când se utilizează un MOSFET ca dispozitiv de comutare este curentul maxim de drenă pe care îl poate manevra. Deci, parametrul RDS(ON) este un ghid important pentru eficiența de comutare a MOSFET și este pur și simplu dat ca raportul VDS/ID atunci când tranzistorul este comutat "ON".

Atunci când utilizați un MOSFET sau orice tip de tranzistor cu efect de câmp pentru acel lucru ca un dispozitiv de comutare solid-state, este întotdeauna recomandabil să selectați cele care au o valoare RDS(ON) foarte mică sau cel puțin să le montați pe un radiator potrivit pentru a ajuta să reduceți orice scăpare termică și deteriorare. MOSFET-urile de putere folosite ca întrerupătoare au, în general, o protecție împotriva curentului de supra-tensiune încorporate în schema lor, dar pentru aplicații de curent ridicat tranzistorul cu joncțiune bipolar este o alegere mai bună.

Controlul motorului cu MOSFET de putere

Datorită rezistenței de intrare sau a porții extrem de ridicate pe care o are MOSFET-ul, vitezele sale foarte rapide de comutare și ușurința cu care pot fi comandate le face ideale pentru interfața cu op-ampi sau porți logice standard. Dar, trebuie avut grijă să se asigure că tensiunea de intrare poartă-sursă este corect aleasă, deoarece atunci când se utilizează MOSFET ca un comutator, dispozitivul trebuie să obțină o rezistență de canal RDS(ON) proporțională cu această tensiune de intrare de poartă.

MOSFET-urile de putere, tip prag mic, nu pot să comute "ON" până când cel puțin 3 V sau 4 V au fost aplicați pe poarta lor și dacă ieșirea de la poarta logică este doar + 5 V logic poate fi insuficientă pentru a comanda complet MOSFET-ul în saturație. Utilizarea MOSFET-urilor cu prag inferior concepute pentru interfațarea cu porți logice TTL și CMOS care au praguri de până la 1,5 V până la 2,0 V sunt disponibile.

MOSFET-urile de putere pot fi folosite pentru a controla mișcarea motoarelor DC sau a motoarelor pas cu pas fără perii direct de la logica calculatorului sau cu ajutorul controlerelor de tip PWM (modularea lățimii de impuls). Deoarece motorul DC oferă un cuplu de pornire ridicat și care este proporțional cu curentul de rotor, comutatoarele MOSFET împreună cu un PWM pot fi folosite ca un regulator de turație foarte bun, care ar asigura funcționarea fără probleme a motorului.

Controler de motor cu MOSFET de putere simplu

Deoarece sarcina motorului este inductivă, o diodă simplă supresoare este conectată pe sarcina inductivă pentru a disipa orice emf inversă generată de motor atunci când MOSFET-ul îl va opri. O rețea clamping 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 a timpului de revenire.

Pentru o securitate sporită s-a adăugat o diodă cu siliciu sau diodă Zener suplimentară D1 plasată peste canalul unui comutator MOSFET atunci când se utilizează sarcini inductive, cum ar fi motoare, relee, solenoizi, etc, pentru suprimarea tranzițiilor de comutare cu supratensiuni și zgomot oferind protecție suplimentară comutatorului MOSFET dacă este necesar. Rezistorul RGS este folosit ca un rezistor pull-down pentru a ajuta la tragerea tensiunii de ieșire TTL până la 0 V atunci când MOSFET-ul este comutat "OFF".

Switch MOSFET cu canal-P

Până acum ne-am uitat la MOSFET cu canal-N ca un comutator, unde MOSFET este plasat între sarcină și masă. Acest lucru permite pentru comanda porții MOSFET sau semnalul de comutare să fie raportat la masă (comutare pe partea Low).

Într-un dispozitiv cu canal-P fluxul convențional al curentului de drenă este în direcția negativă, astfel încât se aplică o tensiune negativă poartă-sursă pentru comutarea tranzistorului "ON". Dar, în unele aplicații avem nevoie să utilizăm MOSFET modul de îmbunătățire canal-P unde sarcina este conectată direct la masă. În acest caz, comutatorul MOSFET este conectat între sarcină și șina de alimentare pozitivă (comutarea pe partea High) așa cum o facem cu tranzistoarele PNP.

Acest lucru se realizează deoarece MOSFET-ul canal-P este "cu susul în jos", cu terminalul său sursă legat la alimentarea pozitivă +VDD. Deci, atunci când comutatorul trece LOW, MOSFET-ul comută "ON", iar atunci când comutatorul trece HIGH, MOSFET-ul comută "OFF".

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

Controler pentru motor cu MOSFET complementare

Cele două MOSFET-uri sunt configurate pentru a produce un comutator bidirecțional de la o sursă dublă cu motorul conectat între conexiunea drenă-comună și referința de masă. Când intrarea este LOW, MOSFET-ul canal-P este comutat ON, deoarece joncțiunea sa poartă-sursă este polarizată negativ, astfel încât motorul se rotește într-o direcție. Doar șina de alimentare +VDD pozitivă este utilizată pentru a comanda motorul.

Atunci 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 terminalele motorului a fost inversată, fiind acum alimentată de către șina negativă -VDD.

Atunci, MOSFET-ul canal-P este folosit pentru comutarea alimentării pozitive a motorului cu direcția înainte (comutarea pe partea High) în timp ce MOSFET-ul canal-N este utilizat pentru a comuta alimentarea negativă la motor în direcția inversă (comutarea pe partea Low).

Există o varietate de configurații pentru a comanda cele două MOSFET-uri cu multe aplicații diferite. Atât dispozitivele cu canal-P, cât și dispozitivele cu canal-N pot fi acționate de un singur IC, după cum se arată.

Dar, pentru a evita conducția transversală, cu ambele MOSFET care conduc în același timp pe cele două polarități ale alimentării duale, sunt necesare dispozitive de comutare rapide pentru a realiza o anumită diferență de timp între comutarea lor "OFF" și comutarea "ON". O modalitate de a depăși această problemă este de a comanda ambele porți MOSFET separat. Aceasta produce apoi o a treia opțiune de "STOP" la motor atunci când ambele MOSFET-uri sunt "OFF".

Tabel de control motor cu MOSFET-uri complementare

Vă rugăm să rețineți că este important să nu existe nici o altă combinație de intrări permise în același timp, ceea ce ar putea duce la scurtcircuitarea sursei de alimentare, deoarece ambele MOSFET-uri, FET 1 și FET 2 ar putea fi comutate împreună ON, rezultând arderea siguranței.