Το MOSFET σαν διακόπτης

http://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_7.html

Είδαμε προηγουμένως, ότι το Enhancement-mode MOSFET με N-κανάλι,  λειτουργεί χρησιμοποιώντας μια θετική τάση εισόδου και έχει μια εξαιρετικά υψηλή αντίσταση εισόδου (σχεδόν άπειρη), καθιστώντας δυνατή τη διασύνδεση με σχεδόν οποιαδήποτε λογική πύλη ή οδηγό που μπορεί να παράγει μια θετική έξοδο. Επίσης, λόγω αυτής της πολύ μεγάλης αντίστασης εισόδου ( Πύλη ),  μπορούμε να έχουμε παράλληλα μαζί πολλά διαφορετικά MOSFETs μέχρι να επιτευχθεί το απαιτούμενο όριο ρεύματος χειρισμού. Ενώ συνδέοντας μαζί διάφορα MOSFETs μπορεί να μας δώσει τη δυνατότητα να ανοιγοκλείνουν φορτία με υψηλά ρεύματα ή υψηλές τάσεις , αυτό τον τρόπο γίνεται ακριβό και μη πρακτικό και στις δύο συνιστώσες, εξαρτήματα και χώρο στην πλακέτα. Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα  αναπτύχθηκαν τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου ισχύος ή FET ισχύος.

Τώρα γνωρίζουμε ότι υπάρχουν δύο βασικές διαφορές μεταξύ τρανζίστορ επίδρασης πεδίου, εξάντληση-mode μόνο για JFET και οι δύο ενίσχυση λειτουργίας και στην εξάντληση-mode για MOSFETs. Σε αυτό το κείμενο θα εξετάσουμε τη χρήση του Enhancement-mode MOSFET ως διακόπτη τρανζίστορ καθώς αυτά απαιτούν μια θετική τάση πύλης για να ενεργοποιήσετε «ON» και μηδενική τάση να μετατρέψει το «OFF» που τους καθιστά εύκολα κατανοητή, όπως διακόπτες και επίσης εύκολο να διασυνδέεται με τις λογικών πυλών.

Η λειτουργία των MOSFET Enhancement-mode μπορεί καλύτερα να περιγραφεί χρησιμοποιώντας  τις χαρακτηριστικες καμπύλες ρεύματος τάσης (IV) φαίνεται παρακάτω. Όταν η τάση εισόδου ( V _IN ) στην πύλη του τρανζίστορ είναι μηδέν, το MOSFET διεξάγει σχεδόν καθόλου ρεύμα και η τάση εξόδου, ( V _OUT ) είναι ίση με την τάση τροφοδοσίας V _DD . Έτσι, το MOSFET είναι «πλήρως-OFF» και του «cut-off» περιοχή.

Χαρακτηριστικά MOSFET Καμπύλες

Η ελάχιστη τάση σε κατάσταση πύλη που απαιτείται για να εξασφαλιστεί ότι η MOSFET παραμένει πλήρως-ON κατά την άσκηση των επιλεγμένων διαρροή ρεύμα μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τις καμπύλες μεταφοράς VI παραπάνω. Όταν V _IN είναι υψηλό ή ίση με V _DD , το MOSFET Q-σημείο μετακινείται προς το σημείο Α κατά μήκος της γραμμής φόρτωσης. Η διαρροή ρεύμα I _D αυξάνει την μέγιστη τιμή του, λόγω της μείωσης της αντίστασης κανάλι. I _D μετατρέπεται σε σταθερή τιμή ανεξάρτητη του V _DD , και θα εξαρτάται μόνο από V _GS . Ως εκ τούτου, το τρανζίστορ συμπεριφέρεται σαν ένα κλειστό διακόπτη, αλλά το κανάλι ON-αντίσταση δεν μειώνει πλήρως στο μηδέν, λόγω της R _{DS (-η)} αξία, αλλά παίρνει πολύ μικρή.

Ομοίως, όταν V _IN είναι χαμηλή ή μειωθεί στο μηδέν, τα MOSFET Q-σημείο μετακινείται από το σημείο Α στο σημείο Β, κατά μήκος της γραμμής φόρτωσης. Η αντίσταση καναλιού είναι πολύ υψηλό, ώστε το τρανζίστορ λειτουργεί σαν ένα ανοικτό κύκλωμα και χωρίς ρεύμα ρέει μέσω του καναλιού. Έτσι, αν η τάση πύλη του MOSFET εναλλάσσεται μεταξύ δύο τιμών, HIGH και LOW το MOSFET θα συμπεριφερθεί ως «single-pole single-ρίξει» (SPST) διακόπτης στερεάς κατάστασης και η δράση αυτή ορίζεται ως εξής:

1. Αποκοπής Περιφέρεια

Εδώ οι συνθήκες λειτουργίας των τρανζίστορ είναι μηδενική τάση πύλης εισόδου ( V _IN ), μηδενική διαρροή ρεύμα I _D και εξόδου τάσης V _DS  = V _DD Ως εκ τούτου η MOSFET είναι ενεργοποιημένο «νεκρή».

Αποκοπής Χαρακτηριστικά

Η είσοδος και η πύλη είναι γειωμένο (0V) Πύλη-πηγή τάσης λιγότερο από το όριο τάσης V GS  <V TH MOSFET είναι «πλήρως-OFF» (cut-off περιοχή) Δεν αποστράγγισης ρεύμα ( I D  = 0 ) V OUT  = V DS  = V DD  = «1» MOSFET λειτουργεί ως ένα «ανοιχτό διακόπτη»

Στη συνέχεια μπορούμε να ορίσουμε το «cut-off περιοχή» ή «OFF mode» ενός διακόπτη MOSFET ως, πύλη τάση, V _GS  <V _Θ και Ι _D  = 0 . Για ένα MOSFET P-channel, το δυναμικό πύλη πρέπει να είναι αρνητική.

2. Κορεσμός Περιφέρεια

Στην περιοχή κορεσμού ή γραμμική, το τρανζίστορ θα είναι μεροληπτικός, έτσι ώστε το μέγιστο ποσό της τάσης πύλη εφαρμόζεται στη συσκευή που έχει ως αποτέλεσμα το κανάλι αντίσταση R _{DS (-η)} είναι τόσο μικρή όσο το δυνατόν με τη μέγιστη διαρροή ρεύματος που διαρρέει το διακόπτη MOSFET . Ως εκ τούτου το MOSFET είναι ενεργοποιημένο «Πλήρως ON».

Χαρακτηριστικά Κορεσμός

Η είσοδος και η Πύλη είναι συνδεδεμένα με το V DD Πύλη-πηγή τάσης είναι πολύ μεγαλύτερη από ό, τι όριο τάσης V GS  > V TH MOSFET είναι «πλήρως-ON» (κορεσμός περιοχή) Max Drain ρεύμα ( I D  = V DD / R L ) V DS  = 0V (ιδανικό κορεσμό) Ελάχιστη κανάλι αντίσταση R DS (-η) <0.1Ω V OUT  = V DS  = 0.2V (R DS . I Δ ) MOSFET λειτουργεί ως ένα «κλειστό διακόπτη»

Στη συνέχεια μπορούμε να ορίσουμε το «περιοχή κορεσμού» ή «on mode» ενός διακόπτη MOSFET ως τάση πύλης-πηγής, V _GS  > V _Θ και Ι _D  = Μέγιστο . Για ένα MOSFET P-channel, το δυναμικό πύλη πρέπει να είναι θετική.

Με την εφαρμογή κατάλληλης τάσης προσπάθεια για την πύλη ενός FET, η αντίσταση του καναλιού αποστράγγισης-πηγή, R _{DS (-η)} μπορεί να ποικίλλει από ένα «OFF-αντίσταση» από τις πολλές εκατοντάδες που kΩ, ουσιαστικά ένα ανοικτό κύκλωμα, σε μια «ON-αντίσταση» μικρότερη από 1Ω, αποτελεσματικά βραχυκύκλωμα. Εμείς μπορούμε να κινούμε το MOSFET να ενεργοποιήσετε «ON» πιο γρήγορα ή πιο αργά, ή περνούν υψηλή ή χαμηλή ρεύματα. Αυτή η ικανότητα να μετατρέψει το MOSFET δύναμη «ON» και «OFF» επιτρέπει στη συσκευή να χρησιμοποιηθεί ως ένα πολύ αποτελεσματικό διακόπτη με εναλλαγή ταχύτητες πολύ πιο γρήγορα από το κανονικό διπολική τρανζίστορ επαφής.

Ένα παράδειγμα της χρήσης του MOSFET ως διακόπτης

Σε αυτήν την ρύθμιση κύκλωμα ένα εξάρτημα-mode N-channel MOSFET χρησιμοποιείται για να αλλάξετε μια απλή λάμπα «ON» και «OFF» (θα μπορούσε επίσης να είναι ένα LED). Η πύλη εισόδου τάση V GS έχει ληφθεί σε ένα κατάλληλο επίπεδο θετικής τάσης για να ενεργοποιήσετε τη συσκευή και ως εκ τούτου η λάμπα είτε πλήρως «ON», ( V GS  = ve + ) ή σε μηδενικό επίπεδο τάσης που μετατρέπει τη συσκευή πλήρως «OFF», ( V GS  = 0 ). Εάν το φορτίο αντίστασης του λαμπτήρα, να αντικατασταθεί από ένα επαγωγικό φορτίο, όπως ένα πηνίο, πηνίο ρελέ ή μια «δίοδο βολάν» θα απαιτηθεί παράλληλα με το φορτίο για την προστασία του MOSFET από κάθε αυτο που παράγεται back-emf.

Πάνω απ ‘δείχνει ένα πολύ απλό κύκλωμα για την αλλαγή με φορτίο αντίστασης, όπως μια λάμπα ή LED.Αλλά όταν χρησιμοποιούν MOSFETs δύναμη να αλλάξουν είτε επαγωγικά ή χωρητικά φορτία κάποια μορφή προστασίας είναι απαραίτητος για να αποτρέψει τη συσκευή MOSFET από τη φθορά. Οδηγώντας μια επαγωγική φόρτιση έχει το αντίθετο αποτέλεσμα από την οδήγηση ενός χωρητικό φορτίο. Για παράδειγμα, ένας πυκνωτής χωρίς ηλεκτρικό φορτίο είναι βραχυκύκλωμα, με αποτέλεσμα ένα υψηλό «εισροής» των σημερινών και όταν αφαιρούμε την τάση από ένα επαγωγικό φορτίο έχουμε μια μεγάλη τάση αντίστροφη δημιουργήσει ως το μαγνητικό πεδίο καταρρέει, με αποτέλεσμα την που προκαλείται από back-EMF στην περιέλιξη του πηνίου.

Για την MOSFET ενέργεια για να λειτουργήσει ως ανάλογη συσκευή μεταγωγής, πρέπει να είναι ενεργοποιημένο μεταξύ «cut-off Περιφέρεια» του, όπου V _GS = 0 και «Κορεσμός Περιφέρεια» έλαβαν V _{GS (-η)} = + ve . Η ισχύς που καταναλώνει το MOSFET ( P _D ) εξαρτάται από το ρεύμα που διέρχεται από το κανάλι I _D σε κορεσμό, αλλά και το «ON-αντίσταση» του καναλιού δίνεται ως R _{DS (on)} . Για παράδειγμα.

Παράδειγμα Νο1

Ας υποθέσουμε ότι η λάμπα είναι ονομαστικής 6V, 24W και είναι πλήρως «ON», το πρότυπο MOSFET έχει ένα κανάλι «ON-αντίσταση» (  R _{DS (-η)}  ) αξία του 0.1ohms. Υπολογίζεται η ισχύς που καταναλώνει το διακόπτη MOSFET.

Το ρεύμα που διέρχεται από το λαμπτήρα υπολογίζεται ως εξής:

Στη συνέχεια, η ισχύς που καταναλώνει το MOSFET θα δοθεί ως:

Μπορείτε να σκεφτείτε, και έτσι ό, τι!, Αλλά κατά τη χρήση του MOSFET ως διακόπτης για τον έλεγχο κινητήρες συνεχούς ρεύματος ή υψηλής ρεύμα εισροής συσκευές το «ON» αντίσταση καναλιού (  R _{DS (-η)} ) είναι πολύ σημαντική. Για παράδειγμα, MOSFETs που ελέγχουν κινητήρες συνεχούς ρεύματος, υποβάλλονται σε υψηλή σε βιασύνη ρεύμα ως κινητήρια δύναμη ξεκινάει πρώτα για να περιστρέψετε το ρεύμα εκκίνησης περιορίζεται μόνο από την αντίσταση των περιελίξεων κινητήρων. Στη συνέχεια, υψηλό R_{DS (-η)} τιμή αντίστασης κανάλι απλώς θα οδηγήσει σε μεγάλες ποσότητες ενέργειας να διαχυθεί και να χάνεται εντός της MOSFET η ίδια με αποτέλεσμα την υπερβολική αύξηση της θερμοκρασίας, και η οποία με τη σειρά του θα μπορούσε να οδηγήσει στην MOSFET γίνεται πολύ ζεστό και ζημιές που οφείλονται σε θερμική υπερφόρτωση.

Μια χαμηλότερη τιμή R _{DS (-η)} από την άλλη πλευρά, είναι επίσης μια επιθυμητή παράμετρο, δεδομένου ότι βοηθά στη μείωση των καναλιών πραγματική τάση κορεσμού (  V _{DS (SAT)}  =  I _D  x R _{DS (-η)}  ) σε όλη την MOSFET. MOSFETs ρεύματος έχουν γενικά R _{DS (-η)} αξίας μικρότερης των 0.01Ω .

Ένα από τα κύρια περιορισμό του MOSFET είναι το μέγιστο ρεύμα που μπορεί να χειριστεί. Έτσι η R _{DS (-η)} παράμετρος είναι ένας σημαντικός οδηγός για την αλλαγή της αποτελεσματικότητας των MOSFET και είναι απλά ο λόγος V _DS / I _D όταν το τρανζίστορ είναι ενεργοποιημένη «ON». Όταν χρησιμοποιείτε ένα MOSFET ή οποιοδήποτε τύπο τρανζίστορ επίδρασης πεδίου για εκείνο το θέμα ως στερεάς κατάστασης συσκευή μεταγωγής είναι πάντα προτιμότερο να επιλέξετε αυτά που έχουν πολύ χαμηλό R _{DS (-η)} αξία ή τουλάχιστον να τους τοποθετήσετε σε κατάλληλο heatsink για να βοηθήσει μειωθεί οποιαδήποτε θερμική δραπέτη και ζημιές. MOSFETs ενέργειας που χρησιμοποιείται ως διακόπτης έχουν γενικά κύμα-ρεύμα της προστασίας ενσωματωμένη στο σχεδιασμό τους, αλλά για υψηλής τρέχουσες εφαρμογές του τρανζίστορ διασταύρωση διπολική είναι μια καλύτερη επιλογή.

Έλεγχος ισχύος Motor MOSFET

Λόγω της εξαιρετικά υψηλή αντίσταση εισόδου ή πύλη που το MOSFET έχει, πολύ υψηλές ταχύτητες μεταγωγής του και της ευκολίας με τον οποίο μπορούν να κινηθούν τα καθιστά ιδανικά για τη διασύνδεση με op-amps ή πρότυπο λογικές πύλες. Ωστόσο, πρέπει να ληφθεί μέριμνα για να εξασφαλιστεί ότι η πύλη-πηγή τάσης εισόδου είναι σωστά επιλέχθηκε επειδή κατά τη χρήση του MOSFET ως διακόπτη της συσκευής πρέπει να αποκτήσετε μια χαμηλή R _{DS (-η)} αντίσταση κανάλι σε αναλογία με αυτήν την τάση πύλης εισόδου. Χαμηλή MOSFETs τύπου όριο αυτό δεν μπορεί διακόπτη «ON» μέχρι τουλάχιστον 3V ή 4V έχει εφαρμοστεί στην πύλη της και εφόσον η έξοδος από τη λογική πύλη είναι μόνο +5 V λογική μπορεί να είναι ανεπαρκής για να οδηγείτε πλήρως τα MOSFET σε κορεσμό. Χρησιμοποιώντας χαμηλότερο όριο MOSFETs έχουν σχεδιαστεί για διασύνδεσή τους με TTL και CMOS λογικές πύλες που έχουν τα όρια τόσο χαμηλά όσο 1.5V 2.0V να είναι διαθέσιμες.

MOSFETs ενέργειας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της κυκλοφορίας των κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες ή stepper κινητήρες άμεσα από τη λογική υπολογιστή ή με τη χρήση πλάτους διαμόρφωση παλμών (PWM) ελεγκτές τύπου. Όπως με κινητήρα συνεχούς ρεύματος προσφέρει υψηλή ροπή εκκίνησης και η οποία είναι επίσης ανάλογο με το ρεύμα οπλισμού, διακόπτες MOSFET μαζί με έναν PWM μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα πολύ καλό σύστημα ελέγχου ταχύτητας που θα παρέχουν ομαλή και αθόρυβη λειτουργία του κινητήρα.

Απλή ισχύος MOSFET Motor Controller

Δεδομένου ότι το φορτίο του κινητήρα είναι επαγωγική, μια απλή δίοδο σφόνδυλος είναι συνδεδεμένος σε όλη την επαγωγικό φορτίο να διαλυθούν τυχόν πίσω ΗΜΠ που παράγονται από τον κινητήρα όταν το MOSFET γυρίζει το «OFF». Ένα σύσφιξης δίκτυο που αποτελείται από μια δίοδο zener σε σειρά με την δίοδο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να επιτρέψει την ταχύτερη εναλλαγή και τον καλύτερο έλεγχο της κορυφής τάση αντίστροφη and drop-out του χρόνου. Μια πρόσθετη πυριτίου ή δίοδο zener D ₁μπορούν επίσης να τοποθετηθούν σε όλη την καναλιού ενός διακόπτη MOSFET, όταν χρησιμοποιεί το επαγωγικά φορτία, όπως σωληνοειδή κινητήρες, κλπ., για την καταστολή υπέρτασης μεταβατικά αλλαγή και την ηχορύπανση δίνοντας επιπλέον προστασία για το διακόπτη MOSFET, εφόσον απαιτείται. Αντίσταση R ₂χρησιμοποιείται ως pull-down αντίσταση για να συμβάλει στην ώθηση της τάσης εξόδου TTL κάτω στο 0V, όταν το MOSFET είναι σε λειτουργία «OFF».

P-channel MOSFET Διακόπτης

Σε μια συσκευή P-channel τη συμβατική ροή του ρεύματος διαρροής είναι σε αρνητική κατεύθυνση έτσι μια αρνητική πύλης-πηγής τάση εφαρμόζεται για να αλλάξετε το τρανζίστορ «ON». Αυτό επιτυγχάνεται επειδή το P-channel MOSFET είναι «ανάποδα», με τερματικό σταθμό την πηγή του συνδέεται με τη θετική προσφορά + V _DD . Στη συνέχεια, όταν ο διακόπτης πηγαίνει LOW, το MOSFET γυρίζει «ON» και όταν ο διακόπτης πηγαίνει HIGH το MOSFET γυρίζει «OFF».

Αυτό ανάποδα σύνδεση ενός P-channel λειτουργία διακόπτη MOSFET βελτίωση μας επιτρέπει να το συνδέσετε σε σειρά με μια Ν-channel MOSFET λειτουργία βελτίωσης για την παραγωγή μιας συμπληρωματικής ή CMOS συσκευή μεταγωγής, όπως φαίνεται σε μια διπλή προσφορά.

Συμπληρωματικές MOSFET Motor Controller

Οι δύο MOSFETs ρυθμιστεί έτσι ώστε να παράγουν μια αμφίδρομη μετάβαση από μια διπλή προσφορά με τον κινητήρα συνδεδεμένο μεταξύ του κοινού σύνδεση αποστράγγισης και αναφοράς στο έδαφος. Όταν η είσοδος είναι LOW το P-channel MOSFET είναι αναμμένων ως πύλη-πηγή συμβολή της είναι αρνητικά προκατειλημμένη έτσι ώστε ο κινητήρας περιστρέφεται προς μία κατεύθυνση. Μόνο το θετικό + V _DDσιδηροδρομικών παροχή χρησιμοποιείται για να οδηγήσει το μοτέρ.

Όταν η είσοδος είναι υψηλή, το P-channel συσκευή διακόπτες-OFF και το N-channel συσκευή διακόπτες-ON ως πύλη-πηγή συμβολή της είναι θετικά προκατειλημμένη. Ο κινητήρας περιστρέφεται τώρα προς την αντίθετη κατεύθυνση, διότι η τάση του τερματικού κινητήρες έχει αντιστραφεί, όπως είναι τώρα παρέχονται από την αρνητική -V _DD σιδηροδρομικών εφοδιασμού. Στη συνέχεια, το P-channel MOSFET χρησιμοποιείται για να αλλάξετε τη θετική τροφοδοσία στον κινητήρα, για την κατεύθυνση προς τα εμπρός (υψηλής πλευρά αλλαγή), ενώ το N-channel MOSFET χρησιμοποιείται για να αλλάξετε την αρνητική τροφοδοσία στον κινητήρα, για την αντίστροφη κατεύθυνση (χαμηλή πλευρά εναλλαγή) .

Υπάρχουν διάφορες διαμορφώσεις για την οδήγηση των δύο MOSFETs με πολλές διαφορετικές εφαρμογές.Τόσο οι P-channel και οι N-channel συσκευές μπορούν να οδηγηθούν από μια απλή πύλη IC, όπως φαίνεται. Ωστόσο, για να αποφεύγεται η διασταυρούμενη συνδεση και με τα δύο MOSFETs διδιακόπτες ταυτόχρονα και από τις δύο πολικότητες μιας διπλής τροφοδοσίας, απαιτούνται συσκευές ταχείας διακόπης υποχρεούνται να παρέχουν κάποια χρονική διαφορά μεταξύ τους, μετατρέποντας το «OFF» απο την μία σε «ON» απο την αλλη. Ένας τρόπος για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα είναι να οδηγεί τις δύο πύλες των MOSFET χωριστά. Αυτό παράγει στη συνέχεια μια τρίτη επιλογή του «STOP» στο μοτέρ όταν και οι δύο MOSFETs είναι «OFF».

MOSFET 1	MOSFET 2	κατάσταση κινητήρα
OFF	OFF	ο κινητήρας είναι σταματημένος(OFF)
ON	OFF	ο κινητήρας περιστρέφεται εμπρός
OFF	ON	ο κινητήρας περιστρέφεται πίσω
ON	ON	ΔΕΝ ΕΠΙΤΡΕΠΕΤΑΙ

Είναι σημαντικό το γεγονός ότι κανένας άλλος συνδυασμός των εισόδων δεν επιτρέπετε, καθώς αυτό μπορεί να προκαλέσει βραχυκυκλωμα στο τροφοδοτικό, δηλαδή τόσο MOSFETs, FET ₁ και FET ₂ ανάβουν «ON» την ίδια στιγμή, (ασφάλεια = κάψιμο!).

http://www.dharmanitech.com/2008/11/small-dc-motor-control-by-pwm-method.html

http://www.modularcircuits.com/blog/articles/old-h-bridge-secrets/part-1/