MOSFETin Anahtar Olarak Kullanılması

Bu yazımızda MOSFETin Anahtar Olarak Kullanılmasını göreceğiz. N-kanal Geliştirme modlu MOSFET, pozitif giriş gerilimi kullanarak çalışmaktadır. Çok yüksek giriş (gate) direnci nedeniyle, ihtiyaç duyduğumuz mevcut taşıma kapasitesine ulaşana kadar birçok farklı MOSFET’İ güvenli bir şekilde paralel hale getirebileceğimizi gördük.

Çeşitli MOSFET’leri paralel olarak birbirine bağlamak, yüksek akımları veya yüksek voltaj yüklerini değiştirmemize izin verebilirken, bunu yapmak hem bileşenlerde hem de devre kartı alanında pahalı ve pratik hale gelir. Bu sorunun üstesinden gelmek için güç alan etkili Transistörler veya güç FET’LERİ geliştirildi.

Artık alan etkili transistörler, sadece jfet’ler için tükenme modu ve Mosfet’ler için hem geliştirme modu hem de tükenme modu arasında iki ana fark olduğunu biliyoruz. Bu eğitimde, geliştirme modu MOSFET’İ bir anahtar olarak kullanmaya bakacağız çünkü bu transistörler “açmak” için pozitif bir gate voltajı ve “kapatmak” için sıfır voltaj gerektirir.

Geliştirme modu MOSFET’İN veya enhancement-MOSFET’in çalışması, aşağıda gösterilen eğrileri kullanılarak en iyi şekilde tanımlanabilir. Transistörün gateinin giriş voltajı ( VIN ) sıfır olduğunda, MOSFET neredeyse hiç akım iletmez ve çıkış voltajı ( VOUT ) VDD besleme voltajına eşittir. Yani MOSFET” kesme “bölgesi içinde” kapalı ” çalışıyor.

MOSFET Özellikleri Eğrileri

Seçilen tahliye akımını taşırken MOSFET’İN “açık” kalmasını sağlamak için gereken minimum açık durum gate voltajı, yukarıdaki V-I transfer eğrilerinden belirlenebilir. VIN yüksek veya vdd’ye eşit olduğunda, MOSFET Q noktası yük hattı boyunca A noktasına hareket eder.

Drain akımı kimliği, kanal direncindeki bir azalmaya bağlı olarak maksimum değerine yükselir. ID, VDD’den bağımsız sabit bir değer haline gelir ve yalnızca VGS’YE bağlıdır. Bu nedenle, transistör kapalı bir anahtar gibi davranır, kanal açma direnci RDS(on) değeri nedeniyle tamamen sıfıra düşmez ancak çok küçük olur.

Benzer şekilde, VIN düşük veya sıfıra düştüğünde, MOSFET Q noktası yük hattı boyunca A noktasından B noktasına hareket eder. Kanal direnci çok yüksektir, bu nedenle transistör açık devre gibi davranır ve kanal boyunca akım akmaz. Bu nedenle, MOSFET’İN gate voltajı iki değer arasında geçiş yaparsa, yüksek ve düşük MOSFET “tek kutuplu tek atış ” (SPST) katı hal anahtarı olarak davranır ve bu eylem şu şekilde tanımlanır:

Kesme Bölgesi

Sıfır giriş gate voltajı (VIN ), sıfır tahliye akımı kimliği ve çıkış voltajı VDS = VDD’dir. Bu nedenle, bir geliştirme tipi MOSFET için iletken kanal kapatılır ve cihaz “kapatılır”.

Kesme Özellikleri

Daha sonra bir enhancement-MOSFET’İ bir anahtar olarak kullanırken kesme bölgesini veya “kapalı modu” tanımlayabiliriz, gate voltajı, VGS < vth, böylece ID = 0. Bir P-kanal geliştirme MOSFET için, gate potansiyeli source’a göre daha pozitif olmalıdır.

Doygunluk Bölgesi

Doygunluk veya doğrusal bölgede, transistör biased olacaktır, böylece cihaza maksimum gate voltajı uygulanır.Bu da RDS kanal direncine neden olur(MOSFET anahtarından akan maksimum drain akımı ile mümkün olduğunca küçüktür). Bu nedenle, geliştirme tipi MOSFET için iletken kanal açıktır ve cihaz “açık” durumdadır.

Doygunluk Özellikleri

VGS > vth böylece ID = maksimum. Bir P-kanal geliştirme MOSFET için, gate potansiyeli source’a göre daha negatif olmalıdır.

Mosfet’i bir anahtar olarak kullanırken, MOSFET’İ daha hızlı veya daha yavaş “açmak” veya yüksek veya düşük akımları geçmek için sürebiliriz. ” Ve “OFF” cihaz standart iki kutuplu eklem transistörler çok daha hızlı bir geçiş Hızı ile çok etkili bir anahtar olarak kullanılmasını sağlar.

Mosfet’i Anahtar Olarak Kullanma Örneği

Bu devre düzeninde, basit bir lambayı “açık” ve “kapalı” (bir LED de olabilir) değiştirmek için bir geliştirme modu N-kanal MOSFET kullanılır.

Gate giriş voltajı vgs, cihazı açmak için uygun bir pozitif voltaj seviyesine alınır ve bu nedenle lamba yükü “açık”, (vgs = +ve ) veya cihazı “kapalı”, (vgs = 0V) çeviren sıfır voltaj seviyesinde.

Lambanın dirençli yükü, bobin, solenoid veya röle gibi endüktif bir yük ile değiştirilecekse, MOSFET’İ kendiliğinden üretilen herhangi bir geri emf’den korumak için yüke paralel olarak bir “volan diyotu” gerekecektir.

Yukarıda, bir lamba veya LED gibi dirençli bir yükü değiştirmek için çok basit bir devre gösterilmektedir. Ancak, endüktif veya kapasitif yükleri değiştirmek için güç Mosfet’leri kullanırken, MOSFET Cihazının hasar görmesini önlemek için bir çeşit koruma gereklidir. Endüktif bir yükün sürülmesi, kapasitif bir yükün sürülmesinden ters etkiye sahiptir.

Örneğin, elektrik yükü olmayan bir kondansatör kısa devredir, bu da yüksek bir “ani” akımla sonuçlanır ve voltajı endüktif bir yükten çıkardığımızda, manyetik alan çöktüğünde büyük bir ters voltaj birikimine sahibiz, bu da indüktörün sargılarında indüklenmiş bir geri emf ile sonuçlanır.

Daha sonra aşağıdaki tabloda hem N-kanal hem de P-kanal tipi MOSFET’İN anahtarlama özelliklerini özetleyebiliriz.

Gate terminali, akımın kanaldan akmasına izin vermek için source’tan daha pozitif (elektronları çeken) yapılması gereken N-kanal MOSFET’İNDEN farklı olarak, p-kanal MOSFET’inden geçen iletimin deliklerinin akışından kaynaklandığını unutmayın. Yani, P-kanal mosfet’in gate terminali source’tan daha negatif hale getirilmeli ve gate source’dan daha pozitif olana kadar sadece iletkenliği (kesmeyi) durduracaktır.

Bu nedenle, geliştirme Tipi Güç MOSFET’İN bir analog anahtarlama cihazı olarak çalışması için, “kesme bölgesi” arasında geçiş yapılması gerekir. Burada: VGS = 0V (veya vgs = -ve) ve “doygunluk Bölgesi” nerede: vgs(açık) = +ve. MOSFET’TE ( PD ) dağıtılan güç, doygunlukta kanal kimliğinden akan akıma ve ayrıca RDS(açık) olarak verilen kanalın “açık direncine” bağlıdır.

Güç MOSFET Motor kontrolü

MOSFET’İN sahip olduğu son derece yüksek giriş veya gate direnci nedeniyle, çok hızlı anahtarlama hızları ve sürülme kolaylığı, onları op-amp’ler veya standart mantık kapıları ile arayüz oluşturmak için ideal kılar. Bununla birlikte, gate source giriş voltajının doğru seçildiğinden emin olmak için özen gösterilmelidir, çünkü mosfet’i bir anahtar olarak kullanırken, cihaz bu giriş gate voltajıyla orantılı olarak düşük bir RDS(on) kanal direnci elde etmelidir.

Düşük eşik Tipi Güç Mosfet’leri, gate’ine az 3V veya 4V uygulanana kadar “açılmayabilir” ve mantık kapısından çıkış sadece +5V mantık ise, mosfet’i doygunluğa tam olarak sürmek yetersiz olabilir. 1.5 V ila 2.0 v arasında eşiklere sahip TTL ve CMOS mantık kapıları ile arayüz oluşturmak için tasarlanmış daha düşük eşik Mosfet’leri kullanmak mümkündür.

Güç Mosfet’leri, DC motorların veya fırçasız step motorların hareketini doğrudan bilgisayar mantığından veya darbe genişlik modülasyonu (PWM) tipi denetleyicileri kullanarak kontrol etmek için kullanılabilir. Bir DC motor yüksek başlangıç torku sunduğundan ve aynı zamanda armatür akımı ile orantılı olduğundan, bir PWM ile birlikte MOSFET anahtarları, motorun düzgün ve sessiz çalışmasını sağlayacak çok iyi bir hız kontrol cihazı olarak kullanılabilir.

Basit Güç MOSFET Motor Kontrolör Devresi

Motor yükü endüktif olduğundan, MOSFET “kapatıldığında”motor tarafından üretilen herhangi bir geri emk’yi dağıtmak için endüktif yük boyunca basit bir volan diyotu bağlanır. Zener diyotunun diyot ile seri olarak oluşturduğu bir sıkıştırma ağı, daha hızlı anahtarlama ve tepe ters voltajının ve düşme süresinin daha iyi kontrol edilmesini sağlamak için de kullanılabilir.

Daha fazla güvenlik için, motorlar, röleler, solenoidler vb.gibi endüktif yükler kullanıldığında, aşırı voltaj anahtarlama geçişlerini ve gürültüyü bastırmak için MOSFET anahtarına ekstra koruma sağlamak için ek bir silikon veya zener diyot D1 de bir MOSFET anahtarının kanalına yerleştirilebilir. gerekirse. Direnç RGS, MOSFET “kapalı”olduğunda TTL çıkış voltajını 0V’A çekmeye yardımcı olmak için bir çekme direnci olarak kullanılır.

P-kanal MOSFET Anahtarı

Şimdiye kadar mosfet’in yük ve toprak arasına yerleştirildiği bir anahtar olarak N-kanal MOSFET’İNE baktık. MOSFET gate drive veya anahtarlama sinyali (düşük yan geçiş) yere başvurulacak bu da sağlar.

Ancak bazı uygulamalarda, yükün doğrudan toprağa bağlı olduğu P-kanal geliştirme modu MOSFET’İN kullanılmasını gerektiriyoruz. Bu durumda, MOSFET anahtarı, PNP transistörlerinde olduğu gibi yük ve pozitif besleme rayı (yüksek taraf anahtarlama) arasında bağlanır.

Bir P-kanal cihazında, geleneksel drain akımı akışı negatif yöndedir. Bu nedenle transistörü “açmak”için negatif bir gate source voltajı uygulanır.

Bu p-kanal MOSFET’İN pozitif besleme +VDD’YE bağlı source terminali ile “baş aşağı” olması nedeniyle elde edilir. Ardından, anahtar düşük olduğunda, MOSFET “açılır “ve anahtar yüksek olduğunda MOSFET ”kapanır”.

Bir p-kanal geliştirme modu MOSFET anahtarının bu baş aşağı bağlantısı, bir çift beslemede gösterildiği gibi tamamlayıcı veya CMOS anahtarlama cihazı üretmek için bir N-kanal geliştirme modu MOSFET ile seri olarak bağlanmamızı sağlar.

Tamamlayıcı MOSFET Motor kontrolörü

İki MOSFET, ortak tahliye bağlantısı ve toprak referansı arasında bağlanan motorla çift beslemeli bir çift yönlü anahtar üretmek üzere yapılandırılmıştır. Giriş düşük olduğunda, p-kanal MOSFET açılır. Çünkü gate – source bağlantısı negatif olarak biased’dır. Böylece motor bir yönde döner. Motoru çalıştırmak için sadece pozitif +VDD besleme rayı kullanılır.

Giriş yüksek olduğunda, p-kanal cihazı kapanır ve n-kanal cihazı açılır. Çünkü gate source bağlantısı pozitif olarak biased’dir. Motor şimdi ters yönde döner çünkü motor terminal voltajı şimdi negatif-VDD besleme rayı tarafından beslendiği için tersine çevrilmiştir. Daha sonra p-kanal MOSFET, pozitif beslemeyi ileri yön için motora (yüksek taraf değiştirme) değiştirmek için kullanılırken, n-kanal MOSFET, negatif beslemeyi ters yön için motora (düşük taraf değiştirme) değiştirmek için kullanılır.

İki Mosfet’i birçok farklı uygulama ile sürmek için çeşitli konfigürasyonlar vardır. Hem P-kanalı hem de N-kanalı cihazları, gösterildiği gibi tek bir gate sürücüsü IC ile tahrik edilebilir.

Bununla birlikte, çift beslemenin iki polaritesi boyunca aynı anda iletken olan her iki MOSFET ile çapraz iletimi önlemek için, hızlı anahtarlama cihazlarının “kapalı” ve diğeri “açık”arasında bir miktar zaman farkı sağlaması gerekir. Bu sorunun üstesinden gelmenin bir yolu, her iki MOSFET gate’ini ayrı ayrı sürmektir. Bu daha sonra her iki MOSFET de “kapalı” olduğunda motora üçüncü bir “durdurma”seçeneği üretir.