Základy MOSFET: 13 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Ahoj! V tomto Instructable vás naučím základy MOSFETů a základy mám na mysli opravdu základy. Toto video je ideální pro člověka, který nikdy MOSFET profesionálně nestudoval, ale chce ho použít v projektech. Budu mluvit o MOSFETech kanálu n a p, jak je používat, jak se liší, proč jsou oba důležité, proč ovladače MOSFET a podobné věci. Budu také hovořit o některých málo známých faktech o MOSFETech a mnoha dalších.

Pojďme do toho.

Krok 1: Podívejte se na video

Videa obsahují vše, co je podrobně popsáno pro stavbu tohoto projektu. Video obsahuje několik animací, které vám pomohou rychle pochopit fakta. Můžete to sledovat, pokud dáváte přednost vizuálu, ale pokud dáváte přednost textu, projděte si další kroky.

Krok 2: FET

Než spustíte MOSFET, dovolte mi, abych vám představil jeho předchůdce, tranzistor JFET nebo Junction Field Effect Transistor. Trochu to usnadní porozumění MOSFETU.

Průřez JFET je zobrazen na obrázku. Terminály jsou totožné s terminály MOSFET. Středová část se nazývá substrát nebo tělo a je to jen polovodič typu n nebo p v závislosti na typu FET. Regiony se poté pěstují na substrátu, který má opačný typ než substrát, se nazývají brána, odtok a zdroj. Ať použijete jakékoli napětí, aplikujete na tyto oblasti.

Dnes má z praktického hlediska velmi malý až žádný význam. Nebudu hledat další vysvětlení, protože to bude příliš technické a stejně to není nutné.

Symbol JFET nám pomůže porozumět symbolu MOSFET.

Krok 3: MOSFET

Poté přichází MOSFET, který má zásadní rozdíl v terminálu brány. Před vytvořením kontaktů pro hradlový terminál se nad substrátem vypěstuje vrstva oxidu křemičitého. To je důvod, proč se jmenuje tranzistor s efektem polovodičového pole s metalickým oxidem. SiO2 je velmi dobrý dielektrikum, nebo lze říci izolant. Tím se zvyšuje odpor brány v rozsahu deseti na výkon deset ohmů a předpokládáme, že v hradlovém proudu MOSFET je proud Ig vždy nulový. To je důvod, proč se mu také říká tranzistor s efektem izolovaného hradlového pole (IGFET). Nad všemi třemi oblastmi se navíc pěstuje vrstva dobrého vodiče, jako je hliník, a poté se vytvoří kontakty. V oblasti brány můžete vidět, že je vytvořena struktura podobná kondenzátoru s paralelní deskou a ve skutečnosti zavádí značnou kapacitu do terminálu brány. Tato kapacita se nazývá kapacitní brána a může snadno zničit váš obvod, pokud není brána v úvahu. Ty jsou také velmi důležité při studiu na profesionální úrovni.

Symbol pro MOSFETy můžete vidět na přiloženém obrázku. Umístění dalšího řádku na bránu má smysl při jejich přiřazování k JFET, což znamená, že brána byla izolována. Směr šipky v tomto symbolu zobrazuje konvenční směr toku elektronů uvnitř MOSFETu, který je opačný ke směru proudu proudu

Krok 4: MOSFET Jsou 4 koncová zařízení?

Ještě jedna věc, kterou bych chtěl dodat, je, že většina lidí si myslí, že MOSFET je zařízení se třemi koncovými zařízeními, zatímco ve skutečnosti jsou MOSFETy zařízením se čtyřmi koncovými zařízeními. Čtvrtý terminál je terminál těla. Možná jste viděli symbol připojený pro MOSFET, středový terminál je pro tělo.

Proč ale téměř všechny MOSFETy vycházejí pouze ze tří terminálů?

Tělesný terminál je vnitřně zkratován ke zdroji, protože v aplikacích těchto jednoduchých integrovaných obvodů není k ničemu, a poté se symbol stane symbolem, který známe.

Tělesný terminál se obecně používá, když je vyrobena komplikovaná IC technologie IC. Mějte na paměti, že to platí pro n kanálový MOSFET, obraz bude trochu odlišný, pokud je MOSFET p kanál.

Krok 5: Jak to funguje

Dobře, pojďme se tedy podívat, jak to funguje.

Bipolární tranzistor nebo BJT je zařízení řízené proudem, což znamená, že množství proudu v jeho základním terminálu určuje proud, který bude protékat tranzistorem, ale víme, že v hradlovém terminálu MOSFET a kolektivně neexistuje proud můžeme říci, že je to napěťově řízené zařízení ne proto, že proud brány je vždy nulový, ale kvůli jeho struktuře, kterou v tomto Instructable nebudu vysvětlovat kvůli jeho komplikovanosti.

Uvažujme n -kanálový MOSFET. Není -li na hradlovém terminálu aplikováno žádné napětí, existují mezi substrátem a odtokem a oblastí zdroje dvě diody zády k sobě, což způsobí, že cesta mezi odtokem a zdrojem má odpor v řádu 10 k výkonu 12 ohmů.

Nyní jsem uzemnil zdroj a začal zvyšovat napětí brány. Když je dosaženo určitého minimálního napětí, odpor klesne a MOSFET začne vést a proud začne proudit z odtoku do zdroje. Toto minimální napětí se nazývá prahové napětí MOSFETu a tok proudu je způsoben vytvořením kanálu od odtoku ke zdroji v substrátu MOSFETu. Jak název napovídá, v n kanálovém MOSFETu je kanál tvořen n typem proudových nosičů, tj. Elektronů, což je opak typu substrátu.

Krok 6: Ale…

Tady to teprve začalo. Použití prahového napětí neznamená, že jste připraveni použít MOSFET. Když se podíváte na datový list IRFZ44N, n kanálového MOSFETu, uvidíte, že při jeho prahovém napětí jím může protékat jen určitý minimální proud. To je dobré, pokud chcete používat pouze menší zátěže, jako jsou pouze LED diody, ale jaký to má potom smysl. Takže pro použití větších zátěží, které odebírají více proudu, budete muset na bránu aplikovat větší napětí. Zvyšující se napětí brány vylepšuje kanál a protéká jím větší proud. Chcete -li zcela zapnout MOSFET, napětí Vgs, což je napětí mezi bránou a zdrojem, musí být někde kolem 10 až 12 voltů, to znamená, že pokud je zdroj uzemněn, musí být brána na 12 voltech nebo tak.

MOSFET, o kterém jsme právě hovořili, se nazývá MOSFET typu vylepšení z toho důvodu, že se kanál zvyšuje se zvyšujícím se napětím brány. Existuje další typ MOSFET, který se nazývá typ vyčerpání MOSFET. Hlavní rozdíl je ve skutečnosti, že kanál je již přítomen v typu vyčerpání MOSFET. Tyto typy MOSFETů obvykle nejsou na trzích k dispozici. Symbol pro typ vyčerpání MOSFET je jiný, plná čára označuje, že kanál již existuje.

Krok 7: Proč ovladače MOSFET?

Nyní řekněme, že k ovládání MOSFET používáte mikrokontrolér, pak můžete na bránu aplikovat maximálně 5 V nebo méně, což nebude stačit na vysoké proudové zátěže.

Co můžete udělat, je použít ovladač MOSFET jako TC4420, stačí na jeho vstupních pinech poskytnout logický signál a ten se postará o zbytek, nebo si můžete vytvořit ovladač sami, ale ovladač MOSFET má mnohem více výhod v skutečnost, že se stará také o několik dalších věcí, jako je kapacita brány atd.

Když je MOSFET zcela zapnutý, jeho odpor je označen Rdsonem a lze jej snadno najít v datovém listu.

Krok 8: MOSFET kanálu P

P -kanálový MOSFET je pravým opakem n -kanálového MOSFETu. Proud teče ze zdroje do odtoku a kanál je tvořen p typem nosičů náboje, tj. Otvorů.

Zdroj v p kanálu MOSFET musí mít nejvyšší potenciál a pro úplné zapnutí musí být Vgs záporné 10 až 12 voltů

Pokud je například zdroj vázán na 12 voltů, musí být brána na nulové napětí schopna jej zcela zapnout, a proto obecně říkáme, že použití 0 voltů na bránu zapne ap kanál MOSFET ON a kvůli těmto požadavkům ovladač MOSFET pro n kanál nelze použít přímo s p kanálem MOSFET. Ovladače MOSFET pro kanál p jsou k dispozici na trhu (jako TC4429) nebo můžete jednoduše použít měnič s ovladačem MOSFET pro n kanál. P kanálové MOSFETy mají relativně vyšší ON odpor než n kanálové MOSFETy, ale to neznamená, že můžete vždy použít n kanálový MOSFET pro jakékoli možné aplikace.

Krok 9: Ale proč?

Řekněme, že v první konfiguraci musíte použít MOSFET. Tento typ přepínání se nazývá nízké přepínání, protože k připojení zařízení k zemi používáte MOSFET. Pro tuto práci by byl nejvhodnější n kanálový MOSFET, protože Vgs se nemění a lze jej snadno udržovat na 12 voltech.

Ale pokud chcete použít n kanálový MOSFET pro přepínání na vysoké straně, zdroj může být kdekoli mezi zemí a Vcc, což nakonec ovlivní napětí Vgs, protože napětí brány je konstantní. To bude mít obrovský dopad na správné fungování MOSFETu. Také MOSFET shoří, pokud Vgs překročí uvedenou maximální hodnotu, která je v průměru kolem 20 voltů.

Proto zde není pouhá procházka s použitím n kanálových MOSFETů, to, co děláme, je, že používáme p kanálový MOSFET, přestože máme větší odpor ON, protože má tu výhodu, že Vgs budou během přepínání vysokých stran konstantní. Existují také další metody, jako je bootstrapping, ale prozatím je nebudu pokrývat.

Krok 10: Křivka Id-Vds

Nakonec se rychle podívejme na tuto křivku Id-Vds. MOSFET provozovaný ve třech oblastech, když Vgs je menší než prahové napětí, MOSFET je v oblasti cut off, tj. Je vypnutý. Pokud je Vgs větší než prahové napětí, ale menší než součet poklesu napětí mezi odtokem a zdrojem a prahovým napětím, říká se, že je v triodové oblasti nebo lineární oblasti. V oblasti vložky lze jako napěťový proměnný odpor použít MOSFET. Pokud je Vgs větší než uvedený součet napětí, pak se odtokový proud stává konstantním, říká se, že pracuje v oblasti nasycení a aby MOSFET fungoval jako přepínač, měl by být provozován v této oblasti, protože maximální proud může procházet MOSFET v tomto regionu.

Krok 11: Návrhy dílů

n Kanál MOSFET: IRFZ44N

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

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

n Ovladač MOSFET kanálu: TC4420US -

p Ovladač MOSFET kanálu: TC4429

Krok 12: To je ono

Nyní musíte být obeznámeni se základy MOSFETů a umět se rozhodnout pro dokonalý projekt MOSFET pro váš projekt.

Ale stále zůstává otázka, kdy bychom měli použít MOSFET? Jednoduchá odpověď je, když musíte přepnout větší zátěž, která vyžaduje větší napětí a proud. MOSFETy mají tu výhodu, že ve srovnání s BJT mají minimální ztráty výkonu i při vyšších proudech.

Pokud jsem něco zmeškal, nebo se mýlím, nebo máte nějaké tipy, napište prosím níže.

Zvažte přihlášení k odběru našeho kanálu Instructables a YouTube. Děkujeme za přečtení, uvidíme se u dalšího Instructable.

Krok 13: Použité díly

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

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

n Ovladač MOSFET kanálu: TC4420US -

p Ovladač MOSFET kanálu: TC4429