Componente de comutație electronică de putere, cum ar fi BJT, MOSFET, IGBT, SCR, TRIAC etc., sunt dispozitive esențiale utilizate în proiectarea multor circuite, de la un simplu circuit de comandă până la redresoare și invertoare de putere complexe. Cel mai de bază dintre toate este BJT, iar noi am învățat deja cum funcționează tranzistorii BJT. Alături de BJT, comutatoarele de putere utilizate pe scară largă sunt MOSFET-urile. În comparație cu BJT, MOSFET-ul poate suporta tensiuni și curenți mari, de aceea este popular printre aplicațiile de mare putere. În acest articol, vom învăța elementele de bază ale MOSFET, construcția sa internă, modul în care funcționează și cum să le folosim în proiectele de circuite. Dacă doriți să săriți peste teorie, puteți consulta articolul despre MOSFET-urile populare și unde să le folosiți pentru a vă accelera procesul de selecție a pieselor și de proiectare.
Ce este un MOSFET?
MOSFET înseamnă tranzistor cu efect de câmp cu oxid metalic, MOSFET a fost inventat pentru a depăși dezavantajele prezente în FET-uri, cum ar fi rezistența de drenaj ridicată, impedanța de intrare moderată și funcționarea mai lentă. Așadar, un MOSFET poate fi numit forma avansată a FET. În unele cazuri, MOSFET-urile sunt, de asemenea, numite IGFET (Insulated Gate Field Effect Transistor). Practic, MOSFET-ul este un dispozitiv controlat prin tensiune, ceea ce înseamnă că prin aplicarea unei tensiuni nominale la pinul de poartă, MOSFET-ul va începe să conducă prin pinul de drenaj și sursă. Vom intra în detalii mai târziu în acest articol.
Principala diferență între FET și MOSFET este că MOSFET are un electrod de poartă din oxid de metal izolat electric de canalul n sau canalul p al semiconductorului principal printr-un strat subțire de dioxid de siliciu sau sticlă. Izolarea porții de control crește rezistența de intrare a MOSFET-ului extrem de mare, în valoare de Mega-ohmi (MΩ).
Simbolul MOSFET-ului
În general, MOSFET-ul este un dispozitiv cu patru terminale, cu un Drain (D), Sursă (S), poartă (G) și un Corp (B) / Substrat terminale. Terminalul corpului va fi întotdeauna conectat la terminalul sursei, prin urmare, MOSFET-ul va funcționa ca un dispozitiv cu trei terminale. În imaginea de mai jos, simbolul MOSFET-ului cu canal N este prezentat în stânga, iar simbolul MOSFET-ului cu canal P este prezentat în dreapta.
Cel mai frecvent utilizat pachet pentru MOSFET este To-220, pentru o mai bună înțelegere să aruncăm o privire la pinout-ul celebrului MOSFET IRF540N (prezentat mai jos). După cum puteți vedea, pinii Gate, Drain și Source sunt listați mai jos, rețineți că ordinea acestor pini se va schimba în funcție de producător. Celelalte MOSFET-uri populare sunt IRFZ44N, BS170, IRF520, 2N7000, etc.
MOSFET ca întrerupător
Cea mai comună aplicație a unui MOSFET este utilizarea acestuia ca întrerupător. Circuitul de mai jos prezintă MOSFET-ul care funcționează ca un dispozitiv de comutare pentru pornirea și oprirea lămpii. Tensiunea de intrare a porții VGS aplicată cu ajutorul unei surse de tensiune de intrare. Atunci când tensiunea aplicată este pozitivă, motorul va fi în starea ON, iar dacă tensiunea aplicată este zero sau negativă, lampa va fi în starea OFF.
Când porniți un Mosfet furnizând tensiunea necesară la pinul de poartă, acesta va rămâne pornit dacă nu furnizați 0V la poartă. Pentru a evita această problemă, ar trebui să folosim întotdeauna o rezistență de tragere în jos (R1), aici am folosit o valoare de 10k. În aplicații cum ar fi controlul vitezei motorului sau atenuarea luminii, vom folosi un semnal PWM pentru comutare rapidă, în timpul acestui scenariu capacitatea de poartă a MOSFET-ului va crea un curent invers datorită efectului parazitar. Pentru a rezolva acest lucru, ar trebui să folosim un condensator de limitare a curentului, am folosit o valoare de 470 aici.
Carcina de mai sus este considerată o sarcină rezistivă, prin urmare circuitul este foarte simplu, iar în cazul în care trebuie să folosim o sarcină inductivă sau capacitivă, trebuie să folosim un fel de protecție pentru a preveni deteriorarea MOSFET-ului. De exemplu, dacă folosim o sarcină capacitivă fără sarcină electrică, aceasta este considerată un scurtcircuit, ceea ce va avea ca rezultat o „pornire” mare de curent, iar atunci când tensiunea aplicată este eliminată de la o sarcină inductivă, va exista o cantitate mare de acumulare de tensiune inversă în circuit atunci când câmpul magnetic se prăbușește, ceea ce va duce la o tensiune de întoarcere indusă în înfășurarea inductorului.
Clasificarea MOSFET-ului
MOSFET-ul este clasificat în două tipuri pe baza tipului de operații, și anume MOSFET cu mod de îmbunătățire (E-MOSFET) și MOSFET cu mod de epuizare (D-MOSFET), aceste MOSFET-uri sunt clasificate în continuare pe baza materialului utilizat pentru construcție ca fiind cu canal n și cu canal p. Astfel, în general, există 4 tipuri diferite de MOSFET-uri
- MOSFET cu canal N în modul de epuizare
- MOSFET cu canal P în modul de epuizare
- MOSFET cu canal N în modul de îmbunătățire
- MOSFET cu canal P în modul de îmbunătățire
MOSFET-urile cu canal N se numesc NMOS și sunt reprezentate prin următoarele simboluri.
Conform construcției interne a unui MOSFET, pinii Gate (G), Drain (D) și Source (S) sunt conectați fizic într-un MOSFET în modul de epuizare, în timp ce în modul de îmbunătățire aceștia sunt separați fizic, acesta este motivul pentru care simbolul apare întrerupt pentru un MOSFET în modul de îmbunătățire. MOSFET-urile cu canal P se numesc PMOS și sunt reprezentate prin următoarele simboluri.
Dintre tipurile disponibile, MOSFET-ul cu canal N de îmbunătățire este cel mai frecvent utilizat MOSFET. Dar, de dragul cunoașterii, să încercăm să intrăm în diferență. Principala diferență dintre MOSFET-ul cu canal N și MOSFET-ul cu canal P este că, în cazul unui MOSFET cu canal N, comutatorul MOSFET va rămâne deschis până când este furnizată o tensiune de poartă. Atunci când pinul de poartă primește tensiunea, comutatorul (între drenă și sursă) se va închide, iar în MOSFET-ul cu canal P comutatorul va rămâne închis până când este furnizată o tensiune de poartă.
În mod similar, principala diferență între MOSFET-ul cu mod de îmbunătățire și MOSFET-ul cu mod de epuizare este că tensiunea de poartă aplicată E-MOSFET-ului trebuie să fie întotdeauna pozitivă și acesta are o tensiune de prag peste care se activează complet. În cazul unui D-MOSFET, tensiunea de poartă poate fi fie pozitivă, fie negativă, iar acesta nu se activează niciodată complet. Rețineți, de asemenea, că un D-MOSFET poate funcționa în mod „Enhancement” și „Depletion”, în timp ce un E-MOSFET poate funcționa numai în mod „Enhancement”.
Construcția MOSFET-ului
Imaginea de mai jos prezintă structura internă tipică a MOSFET-ului. Deși MOSFET-ul este o formă avansată de FET și funcționează cu aceleași trei terminale ca un FET, structura internă a MOSFET-ului este cu adevărat diferită de cea a FET-ului general.
Dacă vă uitați la structură, veți putea vedea că terminalul de poartă este fixat pe stratul metalic subțire care este izolat de semiconductor printr-un strat de dioxid de siliciu (SiO2) și veți putea vedea două semiconductoare de tip N fixate în regiunea canalului în care sunt plasate terminalele de drenaj și sursă. Canalul dintre drena și sursa MOSFET-ului este unul de tip N, opus acestuia, substratul este implementat ca fiind de tip P. Acest lucru ajută la polarizarea MOSFET-ului în ambele polarități, fie pozitivă, fie negativă. Dacă terminalul de poartă al MOSFET-ului nu este polarizat, acesta va rămâne în stare neconductoare, de aceea MOSFET-ul este utilizat în principal în proiectarea comutatoarelor și a porților logice.
Principiul de funcționare al MOSFET-ului
În general, MOSFET-ul funcționează ca un comutator, MOSFET-ul controlează fluxul de tensiune și curent între sursă și drenă. Funcționarea MOSFET-ului depinde de condensatorul MOS, care este suprafața semiconductoare de sub straturile de oxid dintre sursa și terminalul de drenaj. Acesta poate fi inversat de la tipul p la tipul n, prin simpla aplicare a unei tensiuni de poartă pozitive, respectiv negative. Imaginea de mai jos prezintă schema bloc a MOSFET-ului.
Când o tensiune drenă-sursă (VDS) este conectată între drenă și sursă, o tensiune pozitivă este aplicată la drenă, iar tensiunea negativă este aplicată la sursă. Aici joncțiunea PN de la drenă este polarizată în sens invers, iar joncțiunea PN de la sursă este polarizată în sens direct. În acest stadiu, nu va exista niciun flux de curent între drenă și sursă.
Dacă aplicăm o tensiune pozitivă (VGG) la terminalul porții, datorită atracției electrostatice, purtătorii de sarcină minoritari (electroni) din substratul P vor începe să se acumuleze pe contactul porții care formează o punte conductoare între cele două regiuni n+. Numărul de electroni liberi acumulați la contactul de poartă depinde de intensitatea tensiunii pozitive aplicate. Cu cât tensiunea aplicată este mai mare, cu atât lățimea canalului n format datorită acumulării de electroni este mai mare, ceea ce în cele din urmă crește conductivitatea și curentul de drenaj (ID) va începe să circule între sursă și drenaj.
Când nu există tensiune aplicată la terminalul de poartă, nu va exista nici un flux de curent în afară de o cantitate mică de curent datorat purtătorilor de sarcină minoritari. Tensiunea minimă la care MOSFET-ul începe să conducă se numește tensiune de prag.
Funcționarea MOSFET-ului în modul de epuizare:
Moscoapele MOSFET în modul depleție sunt denumite de obicei dispozitive „comutate pe pornit”, deoarece acestea sunt în general în stare închisă atunci când nu există tensiune de polarizare la terminalul porții. Atunci când creștem tensiunea aplicată la poartă în pozitiv, lățimea canalului va fi crescută în modul depleție. Acest lucru va crește curentul de drenaj ID prin canal. Dacă tensiunea aplicată la poartă este puternic negativă, atunci lățimea canalului va fi mai mică și MOSFET-ul ar putea intra în regiunea de tăiere.
Caracteristicile V-I:
Caracteristicile V-I ale tranzistorului MOSFET în mod depleție sunt trasate între tensiunea drenă-sursă (VDS) și curentul de drenă (ID). Cantitatea mică de tensiune de la terminalul porții va controla fluxul de curent prin canal. Canalul format între drenă și sursă va acționa ca un bun conductor cu o tensiune de polarizare zero la terminalul de poartă. Lățimea canalului și curentul de drenaj vor crește dacă tensiunea pozitivă este aplicată la poartă, în timp ce acestea vor scădea atunci când aplicăm o tensiune negativă la poartă.
Funcționarea MOSFET-ului în modul de îmbunătățire:
Funcționarea MOSFET-ului în modul de îmbunătățire este similară cu funcționarea comutatorului deschis, acesta va începe să conducă numai dacă tensiunea pozitivă (+VGS) este aplicată la terminalul porții și curentul de drenaj începe să circule prin dispozitiv. Lățimea canalului și curentul de drenaj vor crește atunci când crește tensiunea de polarizare. Dar dacă tensiunea de polarizare aplicată este zero sau negativă, tranzistorul va rămâne chiar în starea OFF.
Caracteristicile VI:
Caracteristicile VI ale MOSFET-ului în mod de îmbunătățire sunt trasate între curentul de drenă (ID) și tensiunea drenă-sursă (VDS). Caracteristicile VI sunt împărțite în trei regiuni diferite, și anume regiunile ohmică, de saturație și de întrerupere. Regiunea de tăiere este regiunea în care MOSFET-ul se va afla în starea OFF, în care tensiunea de polarizare aplicată este zero. Atunci când tensiunea de polarizare este aplicată, MOSFET-ul se deplasează încet spre modul de conducție, iar creșterea lentă a conductivității are loc în regiunea ohmică. În cele din urmă, regiunea de saturație este cea în care tensiunea pozitivă este aplicată în mod constant, iar MOSFET-ul va rămâne în starea de conducție.
Pachete de MOSFET
MOSFET-urile sunt disponibile în diferite pachete, dimensiuni și denumiri pentru utilizarea lor în diferite tipuri de aplicații. În general, MOSFET-urile livrate în 4 ambalaje diferite, și anume, Surface Mount, Thru-Hole, PQFN și DirectFET
MOSFET-urile sunt disponibile cu un nume diferit în fiecare tip de ambalaj, după cum urmează:
Surface Mount: TO-263, TO-252, MO-187, SO-8, SOT-223, SOT-23, TSOP-6, etc.
Thru-Hole: TO-262, TO-251, TO-274, TO-220, TO-247, etc.
PQFN: PQFN 2×2, PQFN 3×3, PQFN 3.3×3.3, PQFN 5×4, PQFN 5×6, etc.
DirectFET : DirectFET M4, DirectFET MA, DirectFET MD, DirectFET ME, DirectFET S1, DirectFET SH, etc.
.