Podstawy MOSFET: 13 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Cześć! W tej instrukcji nauczę Cię podstaw tranzystorów MOSFET, a przez podstawy mam na myśli naprawdę podstawy. Ten film jest idealny dla osoby, która nigdy nie uczyła się zawodowo MOSFET, ale chce wykorzystać je w projektach. Opowiem o tranzystorach MOSFET z kanałami n i p, jak ich używać, czym się różnią, dlaczego oba są ważne, dlaczego sterowniki MOSFET i tym podobne. Opowiem również o kilku mało znanych faktach dotyczących tranzystorów MOSFET i nie tylko.

Przejdźmy do tego.

Krok 1: Obejrzyj wideo

Filmy zawierają szczegółowo wszystko, co jest potrzebne do zbudowania tego projektu. Film zawiera animacje, które pomogą w szybkim uchwyceniu faktów. Możesz go obejrzeć, jeśli wolisz wizualizacje, ale jeśli wolisz tekst, przejdź przez kolejne kroki.

Krok 2: FET

Przed uruchomieniem tranzystorów MOSFET pozwólcie, że przedstawię wam ich poprzednika, tranzystor JFET lub Junction Field Effect Transistor. Ułatwi to zrozumienie MOSFET-u.

Przekrój JFET pokazano na rysunku. Terminale są identyczne jak terminale MOSFET. Środkowa część nazywana jest podłożem lub korpusem i jest to po prostu półprzewodnik typu n lub p, w zależności od typu FET. Regiony są następnie hodowane na podłożu mającym przeciwny typ niż podłoże i są nazywane bramą, drenem i źródłem. Jakiekolwiek napięcie zastosujesz, zastosujesz je do tych regionów.

Dziś, z praktycznego punktu widzenia, nie ma to większego znaczenia. Nie będę szukać dalszych wyjaśnień poza tym, ponieważ stanie się to zbyt techniczne i i tak nie jest wymagane.

Symbol JFET pomoże nam zrozumieć symbol MOSFET.

Krok 3: MOSFET

Po tym pojawia się MOSFET, mający główną różnicę w terminalu bramki. Przed wykonaniem styków do zacisku bramki nad podłożem narasta warstwa dwutlenku krzemu. To jest powód, dla którego nazywa się go tranzystorem polowym z metalicznym tlenkiem półprzewodnika. SiO2 jest bardzo dobrym dielektrykiem, można powiedzieć izolatorem. Zwiększa to rezystancję bramki w skali od dziesięciu do mocy dziesięciu omów i zakładamy, że w bramce MOSFET prąd Ig jest zawsze równy zero. Z tego powodu jest również nazywany tranzystorem polowym z izolowaną bramką (IGFET). Warstwę dobrego przewodnika, takiego jak aluminium, narasta dodatkowo nad wszystkimi trzema obszarami, a następnie tworzy się styki. W obszarze bramki widać, że tworzy się równoległa konstrukcja podobna do kondensatora płytowego i faktycznie wprowadza znaczną pojemność do zacisku bramki. Ta pojemność nazywana jest pojemnością bramki i może łatwo zniszczyć obwód, jeśli nie zostanie wzięta pod uwagę. Są one również bardzo ważne podczas nauki na poziomie zawodowym.

Symbol MOSFET-ów widać na załączonym obrazku. Umieszczenie kolejnej linii na bramce ma sens przy powiązaniu ich z JFET, co wskazuje, że bramka została zaizolowana. Kierunek strzałki w tym symbolu przedstawia konwencjonalny kierunek przepływu elektronów wewnątrz MOSFET, który jest przeciwny do kierunku przepływu prądu

Krok 4: MOSFET to 4 urządzenie końcowe?

Jeszcze jedną rzeczą, którą chciałbym dodać, jest to, że większość ludzi uważa, że MOSFET to urządzenie z trzema terminalami, podczas gdy w rzeczywistości MOSFET to urządzenie z czterema terminalami. Czwarty terminal to terminal ciała. Być może widziałeś symbol dołączony do MOSFET, środkowy terminal jest dla ciała.

Ale dlaczego prawie wszystkie tranzystory MOSFET mają tylko trzy terminale?

Terminal korpusu jest wewnętrznie zwarty do źródła, ponieważ nie ma on żadnego zastosowania w zastosowaniach tych prostych układów scalonych, a następnie symbol staje się tym, który znamy.

Terminal korpusu jest zwykle używany, gdy wytwarzany jest skomplikowany układ scalony w technologii CMOS. Należy pamiętać, że tak jest w przypadku n-kanałowego MOSFET-u, obraz będzie nieco inny, jeśli MOSFET jest p-kanałowy.

Krok 5: Jak to działa

Ok, więc teraz zobaczmy, jak to działa.

Tranzystor bipolarny lub BJT jest urządzeniem sterowanym prądem, co oznacza, że ilość prądu płynącego w jego zacisku bazowym określa prąd, który przepłynie przez tranzystor, ale wiemy, że nie ma roli prądu w zacisku bramki MOSFET i zbiorczo możemy powiedzieć, że jest to urządzenie sterowane napięciem nie dlatego, że prąd bramki jest zawsze zerowy, ale z powodu jego struktury, której nie wyjaśnię w tym Instruktażu z powodu jego komplikacji.

Rozważmy n-kanałowy MOSFET. Gdy do zacisku bramki nie jest przyłożone napięcie, pomiędzy podłożem a obszarem drenu i źródła znajdują się dwie diody typu back-to-back, powodujące, że ścieżka między drenem a źródłem ma rezystancję rzędu 10 do mocy 12 omów.

Teraz uziemiłem źródło i zacząłem zwiększać napięcie bramki. Po osiągnięciu pewnego minimalnego napięcia rezystancja spada, a tranzystor MOSFET zaczyna przewodzić, a prąd zaczyna płynąć od drenu do źródła. To minimalne napięcie nazywa się napięciem progowym MOSFET, a przepływ prądu jest spowodowany tworzeniem się kanału od drenu do źródła w podłożu MOSFET. Jak sama nazwa wskazuje, w n-kanałowym MOSFET-ie kanał składa się z n nośników prądu, czyli elektronów, co jest przeciwieństwem rodzaju podłoża.

Krok 6: Ale…

Tutaj dopiero się zaczęło. Zastosowanie napięcia progowego nie oznacza, że jesteś gotowy do użycia MOSFET-u. Jeśli spojrzysz na arkusz danych IRFZ44N, n-kanałowy MOSFET, zobaczysz, że przy jego napięciu progowym może przez niego przepływać tylko pewien minimalny prąd. To dobrze, jeśli chcesz używać tylko mniejszych obciążeń, takich jak tylko diody LED, ale o co w takim razie chodzi. Tak więc, aby używać większych obciążeń, które pobierają więcej prądu, będziesz musiał przyłożyć większe napięcie do bramki. Rosnące napięcie bramki wzmacnia kanał, powodując przepływ przez niego większego prądu. Aby całkowicie włączyć MOSFET, napięcie Vgs, które jest napięciem między bramką a źródłem, musi wynosić około 10 do 12 woltów, co oznacza, że jeśli źródło jest uziemione, bramka musi mieć około 12 woltów.

MOSFET, który właśnie omówiliśmy, nazywa się MOSFET typu wzmocnienia, ponieważ kanał jest wzmacniany wraz ze wzrostem napięcia bramki. Istnieje inny typ MOSFET zwany MOSFET typu wyczerpania. Główna różnica polega na tym, że kanał jest już obecny w tranzystorze MOSFET typu wyczerpania. Tego typu tranzystory MOSFET zwykle nie są dostępne na rynkach. Symbol MOSFET typu wyczerpania jest inny, linia ciągła wskazuje, że kanał jest już obecny.

Krok 7: Dlaczego sterowniki MOSFET?

Teraz powiedzmy, że używasz mikrokontrolera do sterowania MOSFETem, wtedy możesz przyłożyć maksymalnie 5 V lub mniej do bramki, co nie wystarczy dla obciążeń wysokoprądowych.

To, co możesz zrobić, to użyć sterownika MOSFET, takiego jak TC4420, wystarczy podać sygnał logiczny na jego pinach wejściowych, a on zajmie się resztą lub możesz sam zbudować sterownik, ale sterownik MOSFET ma o wiele więcej zalet w fakt, że zajmuje się również kilkoma innymi rzeczami, takimi jak pojemność bramki itp.

Gdy MOSFET jest całkowicie włączony, jego opór jest oznaczony przez Rdson i można go łatwo znaleźć w arkuszu danych.

Krok 8: MOSFET kanału P

MOSFET kanału p jest przeciwieństwem MOSFET kanału n. Prąd płynie od źródła do drenu, a kanał składa się z nośników ładunku typu p, czyli otworów.

Źródło w MOSFET-ie kanału p musi być na najwyższym potencjale i aby go całkowicie włączyć, Vgs musi być ujemne od 10 do 12 woltów

Na przykład, jeśli źródło jest podłączone do 12 V, bramka przy zerowym napięciu musi być w stanie ją całkowicie włączyć i dlatego generalnie mówimy, że przyłożenie 0 V do bramki włącza kanał ap MOSFET i ze względu na te wymagania sterownik MOSFET dla Kanał n nie może być używany bezpośrednio z kanałem p MOSFET. Sterowniki MOSFET z kanałem p są dostępne na rynku (takie jak TC4429) lub możesz po prostu użyć falownika ze sterownikiem MOSFET z kanałem n. MOSFET-y z kanałem p mają stosunkowo wyższą rezystancję ON niż n-kanałowy MOSFET, ale to nie znaczy, że zawsze możesz użyć n-kanałowego MOSFET-u do wszelkich możliwych zastosowań.

Krok 9: Ale dlaczego?

Powiedzmy, że musisz użyć MOSFET w pierwszej konfiguracji. Ten rodzaj przełączania nazywa się przełączaniem po stronie niskiej, ponieważ używasz MOSFET do podłączenia urządzenia do uziemienia. Do tego zadania najlepiej nadaje się n-kanałowy MOSFET, ponieważ Vgs nie zmienia się i można go łatwo utrzymać przy napięciu 12 woltów.

Ale jeśli chcesz użyć n-kanałowy MOSFET do przełączania po stronie wysokiej, źródło może znajdować się w dowolnym miejscu między ziemią a Vcc, co ostatecznie wpłynie na napięcie Vgs, ponieważ napięcie bramki jest stałe. Będzie to miało ogromny wpływ na prawidłowe funkcjonowanie MOSFET-u. Również MOSFET wypala się, jeśli Vgs przekracza wspomnianą maksymalną wartość, która wynosi średnio około 20 woltów.

W związku z tym nie jest to bułka z masłem, aby użyć tutaj n-kanałowych MOSFET-ów, to, co robimy, to używamy p-kanałowego MOSFET-u, mimo że ma on większą rezystancję ON, ponieważ ma tę zaletę, że Vgs będzie stałe przez cały czas podczas przełączania wysokiej strony. Istnieją również inne metody, takie jak bootstrapping, ale na razie nie będę ich omawiał.

Krok 10: Krzywa Id-Vds

Na koniec rzućmy okiem na tę krzywą Id-Vds. MOSFET działa w trzech regionach, gdy Vgs jest mniejsze niż napięcie progowe, MOSFET znajduje się w obszarze odcięcia, tj. jest wyłączony. Jeśli Vgs jest większe niż napięcie progowe, ale mniejsze niż suma spadku napięcia między drenem a źródłem i napięciem progowym, mówi się, że znajduje się w obszarze triodowym lub w obszarze liniowym. W obszarze liniowym MOSFET może być używany jako rezystor o zmiennym napięciu. Jeśli Vgs jest większe niż wspomniana suma napięcia, wówczas prąd drenu staje się stały, mówi się, że działa w obszarze nasycenia i aby MOSFET działał jako przełącznik, powinien działać w tym regionie, ponieważ maksymalny prąd może przepływać przez MOSFET w tym regionie.

Krok 11: Propozycje części

n Kanał MOSFET: IRFZ44N

INDIE - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p Kanał MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

n-kanałowy sterownik MOSFET: TC4420US -

p Kanałowy sterownik MOSFET: TC4429

Krok 12: To wszystko

Musisz teraz znać podstawy tranzystorów MOSFET i być w stanie wybrać idealny MOSFET do swojego projektu.

Ale wciąż pozostaje pytanie, kiedy powinniśmy używać tranzystorów MOSFET? Prosta odpowiedź brzmi, kiedy trzeba przełączać większe obciążenia, które wymagają większego napięcia i prądu. MOSFETy mają tę zaletę, że minimalizują straty mocy w porównaniu z BJT, nawet przy wyższych prądach.

Jeśli coś przeoczyłem lub się mylę, lub masz jakieś wskazówki, proszę o komentarz poniżej.

Rozważ zasubskrybowanie naszego kanału Instructables i YouTube. Dziękuję za przeczytanie, do zobaczenia w następnej instrukcji.

Krok 13: Używane części

n Kanał MOSFET: IRFZ44NINDIA - https://amzn.to/2vDTF6DUS - https://amzn.to/2vB6oXwUK -

p Kanał MOSFET: IRF9630US - https://amzn.to/2Jmm437UK -

n-kanałowy sterownik MOSFET: TC4420US -

p Kanałowy sterownik MOSFET: TC4429