Základy MOSFET: 13 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Ahoj! V tomto návode vás naučím základy MOSFETov a pod základmi mám na mysli skutočne základy. Toto video je ideálne pre človeka, ktorý nikdy profesionálne neštudoval MOSFET, ale chce ho použiť v projektoch. Budem hovoriť o kanáloch MOSFET typu n a p, ako ich používať, v čom sa líšia, prečo sú obidva dôležité, prečo sú ovládače MOSFET a podobné veci. Poviem tiež niekoľko málo známych faktov o MOSFEToch a oveľa viac.

Poďme do toho.

Krok 1: Pozrite si video

Videá obsahujú všetko, čo je podrobne potrebné na stavbu tohto projektu. Video obsahuje niekoľko animácií, ktoré vám pomôžu rýchlo pochopiť skutočnosti. Môžete to sledovať, ak dávate prednosť vizuálu, ale ak dávate prednosť textu, pokračujte ďalšími krokmi.

Krok 2: FET

Pred spustením MOSFET mi dovoľte, aby som vám predstavil jeho predchodcu, tranzistor JFET alebo Junction Field Effect Transistor. Trochu to uľahčí pochopenie MOSFETU.

Prierez JFET je znázornený na obrázku. Terminály sú identické s terminálmi MOSFET. Stredná časť sa nazýva substrát alebo telo a v závislosti od typu FET je to len polovodič typu n alebo p. Tieto oblasti sa potom pestujú na substráte, ktorý má iný typ ako substrát, sa nazývajú brána, odtok a zdroj. Bez ohľadu na napätie, ktoré použijete, použijete v týchto oblastiach.

Dnes má z praktického hľadiska veľmi malý až žiadny význam. Nebudem pokračovať v ďalšom vysvetľovaní, pretože to bude príliš technické a v žiadnom prípade sa to nevyžaduje.

Symbol JFET nám pomôže porozumieť symbolu MOSFET.

Krok 3: MOSFET

Potom príde MOSFET, ktorý má hlavný rozdiel v termináli brány. Pred vytvorením kontaktov pre hradlový terminál sa nad substrátom pestuje vrstva oxidu kremičitého. To je dôvod, prečo je pomenovaný tranzistor s polovodičovým poľom s oxidom kovovým. SiO2 je veľmi dobrý dielektrikum alebo dá sa povedať izolátor. To zvyšuje odpor brány v rozsahu desať na výkon desať ohmov a predpokladáme, že v bráne MOSFET je prúd Ig vždy nulový. To je dôvod, prečo sa mu tiež hovorí tranzistor s efektom izolovaného hradlového poľa (IGFET). Nad všetkými tromi oblasťami sa dodatočne pestuje vrstva dobrého vodiča, ako je hliník, a potom sa vytvoria kontakty. V oblasti brány môžete vidieť, že je vytvorená štruktúra podobná kondenzátoru s paralelnými doskami a v skutočnosti zavádza značnú kapacitu do terminálu brány. Táto kapacita sa nazýva kapacita brány a môže ľahko zničiť váš obvod, ak sa neberie do úvahy. Tieto sú tiež veľmi dôležité pri štúdiu na profesionálnej úrovni.

Symbol pre MOSFET môžete vidieť na priloženom obrázku. Umiestnenie ďalšej čiary na bránu má zmysel pri ich priradení k JFET, čo znamená, že brána bola izolovaná. Smer šípky v tomto symbole zobrazuje konvenčný smer toku elektrónov vo vnútri MOSFETu, ktorý je opačný ako prúdový prúd.

Krok 4: MOSFET Sú 4 koncové zariadenia?

Ešte jedna vec, ktorú by som chcel dodať, je, že väčšina ľudí si myslí, že MOSFET je zariadenie s tromi koncovými zariadeniami, zatiaľ čo v skutočnosti sú MOSFET zariadenia so štyrmi koncovými zariadeniami. Štvrtý terminál je telesný terminál. Možno ste videli symbol pripojený k MOSFET, stredový terminál je pre telo.

Prečo však takmer všetky MOSFETy vychádzajú iba z troch terminálov?

Telesný terminál je vnútorne skratovaný k zdroju, pretože v aplikáciách týchto jednoduchých integrovaných obvodov nie je použiteľný, a potom sa symbol stane symbolom, ktorý poznáme.

Telesný terminál sa spravidla používa, keď je vyrobený komplikovaný IC s technológiou CMOS. Majte na pamäti, že to je prípad n kanálového MOSFET, obraz bude trochu iný, ak je MOSFET p kanálom.

Krok 5: Ako to funguje

Dobre, teraz sa pozrime, ako to funguje.

Bipolárny tranzistor alebo BJT je zariadenie riadené prúdom, to znamená, že množstvo prúdového toku v jeho základnom termináli určuje prúd, ktorý bude pretekať tranzistorom, ale vieme, že v hradlovom termináli MOSFET a spoločne neexistuje žiadna úloha prúdu. môžeme povedať, že je to zariadenie riadené napätím nie preto, že prúd brány je vždy nulový, ale kvôli svojej štruktúre, ktorú v tomto návode nevysvetlím kvôli jeho komplikovanosti.

Uvažujme o n kanáli MOSFET. Ak na hradlovom termináli nie je použité žiadne napätie, existujú dve spätné diódy medzi substrátom a odtokom a oblasťou zdroja, čo spôsobuje, že cesta medzi odtokom a zdrojom má odpor rádovo 10 k výkonu 12 ohmov.

Teraz som uzemnil zdroj a začal som zvyšovať napätie brány. Keď sa dosiahne určité minimálne napätie, odpor klesne a MOSFET začne viesť a prúd začne prúdiť z odtoku do zdroja. Toto minimálne napätie sa nazýva prahové napätie MOSFET a tok prúdu je spôsobený vytvorením kanála od odtoku k zdroju v substráte MOSFET. Ako naznačuje názov, v n kanálovom MOSFETe je kanál tvorený n typom prúdových nosičov, t. J. Elektrónov, ktoré sú opačné ako typ substrátu.

Krok 6: Ale …

Tu sa to ešte len začalo. Použitie prahového napätia neznamená, že ste pripravení používať MOSFET. Ak sa pozriete na list s údajmi o IRFZ44N, n kanálovom MOSFETe, uvidíte, že pri jeho prahovom napätí ním môže prúdiť iba určitý minimálny prúd. To je dobré, ak chcete používať iba menšie záťaže, ako sú iba diódy LED, ale aký to má potom zmysel. Takže na používanie väčších záťaží, ktoré odoberajú viac prúdu, budete musieť na bránu použiť viac napätia. Zvyšujúce sa napätie brány zvyšuje kanál, čím ním preteká viac prúdu. Na úplné zapnutie MOSFETu musí byť napätie Vgs, čo je napätie medzi bránou a zdrojom, niekde okolo 10 až 12 voltov, to znamená, že ak je zdroj uzemnený, brána musí mať približne 12 voltov.

MOSFET, o ktorom sme práve diskutovali, sa nazýva MOSFET typu vylepšenia z dôvodu, že sa kanál zvyšuje so zvyšujúcim sa napätím brány. Existuje ďalší typ MOSFET, ktorý sa nazýva MOSFET typu vyčerpania. Hlavný rozdiel je v tom, že kanál je už prítomný v type MOSFET vyčerpania. Tieto typy MOSFETov zvyčajne nie sú na trhoch k dispozícii. Symbol pre typ vyčerpania MOSFET je odlišný, plná čiara znamená, že kanál už je prítomný.

Krok 7: Prečo ovládače MOSFET?

Teraz povedzme, že na ovládanie MOSFET používate mikrokontrolér, potom môžete na bránu použiť maximálne 5 voltov alebo menej, čo nebude stačiť na vysoké prúdové záťaže.

Čo môžete urobiť, je použiť ovládač MOSFET ako TC4420, stačí, ak na jeho vstupných kolíkoch poskytnete logický signál a postará sa o zvyšok, alebo si môžete ovládač postaviť sami, ale ovládač MOSFET má oveľa viac výhod v skutočnosť, že sa stará aj o niekoľko ďalších vecí, ako je kapacita brány atď.

Keď je MOSFET úplne zapnutý, jeho odpor je označený Rdsonom a dá sa ľahko nájsť v technickom liste.

Krok 8: MOSFET kanála P

P -kanálový MOSFET je pravým opakom n -kanálového MOSFETu. Prúd prúdi zo zdroja do odtoku a kanál je tvorený p typom nosičov náboja, tj. Otvorov.

Zdroj v kanáli p MOSFET musí mať najvyšší potenciál a na úplné zapnutie musí byť Vgs záporné 10 až 12 voltov

Napríklad, ak je zdroj viazaný na 12 voltov, brána na nulové napätie musí byť schopná ju úplne zapnúť, a preto všeobecne hovoríme, že na bránu zapnite 0 voltov ap kanál MOSFET ZAPNUTÝ a kvôli týmto požiadavkám ovládač MOSFET pre Kanál n nemožno použiť priamo s kanálom p MOSFET. Ovládače MOSFET pre kanál p sú dostupné na trhu (ako TC4429) alebo môžete jednoducho použiť menič s ovládačom MOSFET pre n kanál. P kanálové MOSFETy majú relatívne vyšší odpor pri zapnutí ako n -kanálové MOSFETy, ale to neznamená, že môžete vždy použiť n -kanálový MOSFET pre akékoľvek možné aplikácie.

Krok 9: Ale prečo?

Povedzme, že v prvej konfigurácii musíte použiť MOSFET. Tento typ prepínania sa nazýva prepínanie na spodnej strane, pretože na pripojenie zariadenia k zemi používate MOSFET. Na túto prácu by bol najvhodnejší n -kanálový MOSFET, pretože Vgs sa nemení a je možné ho ľahko udržiavať na 12 voltoch.

Ale ak chcete použiť n kanálový MOSFET na prepínanie na vysokej strane, zdroj môže byť kdekoľvek medzi zemou a Vcc, čo nakoniec ovplyvní napätie Vgs, pretože napätie brány je konštantné. To bude mať obrovský vplyv na správne fungovanie MOSFETu. Tiež MOSFET vyhorí, ak Vg prekročí uvedenú maximálnu hodnotu, ktorá je v priemere okolo 20 voltov.

Preto tu nie je jednoduché používať n kanálové MOSFETy, ale robíme to, že používame p kanálový MOSFET napriek tomu, že máme väčší odpor proti ON, pretože má tú výhodu, že Vgs budú počas prepínania vysokých strán konštantné. Existujú aj ďalšie metódy, ako napríklad bootstrapping, ale zatiaľ sa nimi nebudem zaoberať.

Krok 10: Krivka Id-Vds

Nakoniec sa pozrime rýchlo na túto krivku Id-Vds. MOSFET prevádzkovaný v troch oblastiach, keď je Vgs menšie ako prahové napätie, MOSFET je v oblasti prerušenia, t.j. je vypnutý. Ak je hodnota Vgs väčšia ako prahové napätie, ale menšia ako súčet poklesu napätia medzi odtokom a zdrojom a prahovým napätím, hovorí sa, že je v triodovej oblasti alebo lineárnej oblasti. V oblasti vložky môže byť MOSFET použitý ako odpor s premenlivým napätím. Ak je hodnota Vgs väčšia ako uvedený súčet napätia, potom sa odtokový prúd stáva konštantným, hovorí sa, že pracuje v oblasti nasýtenia, a aby MOSFET fungoval ako spínač, mal by byť prevádzkovaný v tejto oblasti, pretože maximálny prúd môže prechádzať cez MOSFET. v tomto regióne.

Krok 11: Návrhy dielov

n Kanál MOSFET: IRFZ44N

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

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

Ovládač MOSFET pre kanál: TC4420US -

p Ovládač MOSFET kanála: TC4429

Krok 12: To je všetko

Teraz musíte byť oboznámení so základmi MOSFETov a vedieť sa rozhodnúť pre perfektný MOSFET pre váš projekt.

Otázkou však zostáva, kedy by sme mali používať MOSFET? Jednoduchá odpoveď je, keď musíte prepínať väčšie záťaže, ktoré vyžadujú viac napätia a prúdu. MOSFETy majú výhodu minimálnej straty výkonu v porovnaní s BJT aj pri vyšších prúdoch.

Ak mi niečo chýba, alebo sa mýlim, alebo máte nejaké tipy, napíšte komentár nižšie.

Zvážte prihlásenie sa na odber nášho kanála s pokynmi a kanála YouTube. Ďakujeme za prečítanie, uvidíme sa v ďalšom návode.

Krok 13: Použité diely

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

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

n Ovládač MOSFET kanála: TC4420US -

p Ovládač MOSFET kanála: TC4429