Co je MOSFET: Práce a její aplikace

Co je MOSFET: Práce a její aplikace

Tranzistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) je polovodičové zařízení, které je široce používáno pro spínací účely a pro zesílení elektronických signálů v elektronických zařízeních. MOSFET je buď jádro, nebo integrovaný obvod, kde je navržen a vyroben v jediném čipu, protože zařízení je k dispozici ve velmi malých velikostech. Zavedení zařízení MOSFET přineslo změnu v doméně přepínání elektroniky . Pojďme s podrobným vysvětlením tohoto konceptu.

Co je MOSFET?

MOSFET je čtyřkoncové zařízení se svorkami zdroj (S), hradlo (G), odtok (D) a tělo (B). Tělo MOSFET je obecně ve spojení se zdrojovým terminálem, čímž vytváří tříkoncové zařízení, jako je tranzistor s efektem pole. MOSFET je obecně považován za tranzistor a používá se v analogových i digitálních obvodech. To je základní úvod do MOSFET . Obecná struktura tohoto zařízení je následující:




MOSFET

MOSFET



Z výše uvedeného Struktura MOSFET , funkce MOSFET závisí na elektrických variacích probíhajících v šířce kanálu spolu s tokem nosných (buď otvorů, nebo elektronů). Nosiče náboje vstupují do kanálu zdrojovým terminálem a vystupují odtokem.

Šířka kanálu je řízena napětím na elektrodě, která se nazývá brána a je umístěna mezi zdrojem a odtokem. Je izolován od kanálu v blízkosti extrémně tenké vrstvy oxidu kovu. Kapacita MOS, která v zařízení existuje, je zásadní částí, kde je celá operace napříč.



MOSFET s terminály

MOSFET s terminály

MOSFET může fungovat dvěma způsoby

  • Režim vyčerpání
  • Režim vylepšení

Režim vyčerpání

Pokud na svorce brány není napětí, ukazuje kanál maximální vodivost. Zatímco když je napětí na svorce brány kladné nebo záporné, vodivost kanálu klesá.




Například

Režim vychýleníRežim vylepšení

Pokud na svorce brány není napětí, zařízení nereaguje. Pokud je na svorce brány maximální napětí, zařízení vykazuje zvýšenou vodivost.

Režim vylepšení

Režim vylepšení

Pracovní princip MOSFET

Hlavním principem zařízení MOSFET je schopnost řídit tok napětí a proudu mezi svorkami zdroje a odtoku. Funguje téměř jako přepínač a funkčnost zařízení je založena na kondenzátoru MOS. MOS kondenzátor je hlavní součástí MOSFET.

Polovodičový povrch ve spodní vrstvě oxidu, který je umístěn mezi zdrojovým a odtokovým terminálem, lze převést z typu p na typ n aplikací buď kladného, ​​nebo záporného hradlového napětí. Když aplikujeme odpudivou sílu na kladné hradlové napětí, pak jsou otvory přítomné pod vrstvou oxidu tlačeny směrem dolů se substrátem.

Oblast vyčerpání osídlená vázanými zápornými náboji, které jsou spojeny s akceptorovými atomy. Když je dosaženo elektronů, je vyvinut kanál. Kladné napětí také přitahuje elektrony ze zdroje n + a odtokových oblastí do kanálu. Nyní, pokud je mezi odtokem a zdrojem aplikováno napětí, proud volně proudí mezi zdrojem a odtokem a hradlové napětí řídí elektrony v kanálu. Pokud místo kladného napětí použijeme záporné napětí, vytvoří se pod vrstvou oxidu otvorový kanál.

Blokové schéma MOSFET

Blokové schéma MOSFET

P-kanál MOSFET

P-kanál MOSFET má oblast P-kanálu umístěnou mezi zdrojovými a odtokovými svorkami. Jedná se o čtyřkoncové zařízení, které má svorky jako brána, odtok, zdroj a tělo. Odtok a zdroj jsou silně dopované oblasti p + a tělo nebo substrát jsou typu n. Tok proudu je ve směru kladně nabitých otvorů.

Když použijeme záporné napětí s odpudivou silou na terminálu brány, pak jsou elektrony přítomné pod vrstvou oxidu zatlačeny dolů do substrátu. Oblast vyčerpání osídlená vázanými kladnými náboji, které jsou spojeny s donorovými atomy. Záporné hradlové napětí také přitahuje otvory ze zdroje p + a odtokové oblasti do oblasti kanálu.

Režim vyčerpání P kanál

Režim vyčerpání P kanál

Vylepšený režim kanálu P.

Vylepšený režim kanálu P.

N- kanálový MOSFET

N-kanálový MOSFET má oblast N-kanálu umístěnou mezi zdrojovými a odtokovými svorkami. Jedná se o čtyřkoncové zařízení, které má svorky jako brána, odtok, zdroj, tělo. V tomto typu tranzistoru s efektem pole jsou odtok a zdroj silně dotované n + oblastí a substrát nebo tělo jsou typu P.

Tok proudu v tomto typu MOSFET se děje kvůli záporně nabitým elektronům. Když aplikujeme kladné napětí s odpudivou silou na terminál brány, pak jsou otvory přítomné pod vrstvou oxidu tlačeny dolů do substrátu. Oblast vyčerpání je naplněna vázanými zápornými náboji, které jsou spojeny s akceptorovými atomy.

Po dosahu elektronů se vytvoří kanál. Kladné napětí také přitahuje elektrony ze zdroje n + a odtokových oblastí do kanálu. Nyní, pokud je mezi odtokem a zdrojem aplikováno napětí, proud volně proudí mezi zdrojem a odtokem a hradlové napětí řídí elektrony v kanálu. Pokud použijeme záporné napětí, namísto kladného napětí se pod vrstvou oxidu vytvoří kanál díry.

Režim vylepšení N kanál

Režim vylepšení N kanál

Oblasti provozu MOSFET

V nejobecnějším scénáři se provoz tohoto zařízení děje hlavně ve třech regionech, které jsou následující:

  • Cut-off Region - Je to oblast, kde bude zařízení ve vypnutém stavu a protéká ním nulové množství proudu. Zde zařízení funguje jako základní spínač a je použito tak, jako když je nutné pracovat jako elektrické spínače.
  • Region nasycení - V této oblasti bude mít zařízení aktuální hodnotu odtoku ke zdroji jako konstantní, aniž by zvážila zvýšení napětí napříč odtokem ke zdroji. K tomu dochází pouze jednou, když napětí na odtoku ke zdrojové svorce vzroste více než hodnota odtržení. V tomto scénáři zařízení funguje jako uzavřený spínač, kde protéká nasycená úroveň proudu přes odtok ke svorkám zdroje. Z tohoto důvodu je oblast saturace vybrána, když mají zařízení provádět přepínání.
  • Lineární / ohmická oblast - Je to oblast, kde se proud přes svorku odtoku ke zdroji zvyšuje s přírůstkem napětí přes cestu odtoku ke zdroji. Když zařízení MOSFET fungují v této lineární oblasti, vykonávají funkci zesilovače.

Uvažujme nyní o spínacích charakteristikách MOSFET

Polovodič, například MOSFET nebo bipolární tranzistor, funguje v zásadě jako spínače ve dvou scénářích, jeden je ve stavu ON a druhý ve stavu OFF. Abychom tuto funkci zvážili, podívejme se na ideální a praktické vlastnosti zařízení MOSFET.

Ideální charakteristika přepínače

Pokud má MOSFET fungovat jako ideální přepínač, měl by obsahovat níže uvedené vlastnosti a ty jsou

  • Ve stavu ZAPNUTO musí existovat aktuální omezení, které nese
  • Ve stavu VYPNUTO by blokovací úrovně napětí neměly obsahovat žádná omezení
  • Pokud zařízení pracuje ve stavu ZAPNUTO, hodnota poklesu napětí by měla být nulová
  • Odpor ve vypnutém stavu by měl být nekonečný
  • Rychlost provozu by neměla být nijak omezena

Praktické charakteristiky přepínače

Protože svět nespočívá jen v ideálních aplikacích, je fungování MOSFET dokonce použitelné i pro praktické účely. V praktickém scénáři by zařízení mělo obsahovat níže uvedené vlastnosti

  • Ve stavu ZAPNUTO by měly být omezeny schopnosti řízení výkonu, což znamená, že musí být omezen tok vodivého proudu.
  • Ve vypnutém stavu by blokovací úrovně napětí neměly být omezeny
  • Zapnutí a vypnutí na konečnou dobu omezuje omezující rychlost zařízení a dokonce omezuje funkční frekvenci
  • V zapnutém stavu zařízení MOSFET budou minimální hodnoty odporu, kde to bude mít za následek pokles napětí v předpětí. Existuje také konečný odpor stavu OFF, který dodává zpětný svodový proud
  • Pokud zařízení pracuje v praktických vlastnostech, ztrácí napájení při zapnutém a vypnutém stavu. To se děje i v přechodových stavech.

Příklad MOSFET jako přepínače

V níže uvedeném uspořádání obvodu se používá rozšířený režim a N-kanálový MOSFET k přepínání vzorkové lampy za podmínek ON a OFF. Kladné napětí na svorce brány je přivedeno na základnu tranzistoru a lampa se přesune do stavu ZAPNUTO a zde VGS= + v nebo při nulové úrovni napětí se zařízení přepne do stavu VYPNUTO, kde VGS= 0.

MOSFET jako přepínač

MOSFET jako přepínač

Pokud by měla být odporová zátěž lampy nahrazena induktivní zátěží a připojena k relé nebo diodě, která je k zátěži chráněna. Ve výše uvedeném obvodu je to velmi jednoduchý obvod pro spínání odporové zátěže, jako je lampa nebo LED. Pokud však používáte MOSFET jako přepínač buď s indukčním nebo kapacitním zatížením, je pro zařízení MOSFET vyžadována ochrana.

Pokud v případě, že MOSFET není chráněn, může to vést k poškození zařízení. Aby MOSFET fungoval jako analogové spínací zařízení, je třeba jej přepnout mezi jeho mezní oblastí, kde VGS= 0 a oblast nasycení, kde VGS= + v.

Popis videa

MOSFET může také fungovat jako tranzistor a je zkrácen jako tranzistor s efektem křemičitého pole na bázi oxidu kovu. Zde samotný název naznačoval, že zařízení lze provozovat jako tranzistor. Bude mít P-kanál a N-kanál. Zařízení je připojeno takovým způsobem pomocí čtyř zdrojových, hradlových a odtokových svorek a odporová zátěž 24 Ω je zapojena do série s ampérmetrem a přes MOSFET je připojen měřič napětí.

V tranzistoru je tok proudu v bráně v kladném směru a zdrojová svorka je připojena k zemi. Zatímco v bipolárních spojovacích tranzistorových zařízeních je tok proudu přes cestu mezi základnou a emitorem. Ale v tomto zařízení neexistuje žádný proudový tok, protože na začátku brány je kondenzátor, vyžaduje pouze napětí.

K tomu může dojít pokračováním procesu simulace a zapnutím / vypnutím. Když je spínač v poloze ON, obvodem neprotéká žádný proud, když je připojen odpor 24 Ω a napětí 0,29 ampérmetru, pak zjistíme zanedbatelný pokles napětí napříč zdrojem, protože na tomto zařízení je + 0,21 V.

Odpor mezi odtokem a zdrojem se nazývá RDS. Kvůli tomuto RDS se pokles napětí objeví, když v obvodu protéká proud. RDS se liší podle typu zařízení (může se pohybovat mezi 0,001, 0,005 a 0,05 podle typu napětí.

Několik konceptů, které je třeba se naučit, je:

1). Jak zvolit MOSFET jako přepínač ?

Při výběru MOSFET jako přepínače je třeba dodržovat několik podmínek a jedná se o následující:

  • Použití polarity buď P nebo N kanál
  • Maximální jmenovité hodnoty provozního napětí a proudu
  • Zvýšené Rds ON, což znamená, že odpor na terminálu Drain to Source, když je kanál zcela otevřený
  • Zvýšená provozní frekvence
  • Balení je To-220 a DPAck a mnoho dalších.

2). Co je účinnost přepínače MOSFET?

Hlavním omezením v době provozu MOSFET jako spínacího zařízení je vylepšená hodnota odtokového proudu, které zařízení může být schopné. To znamená, že RDS v zapnutém stavu je rozhodujícím parametrem, který rozhoduje o schopnosti přepínání MOSFET. Představuje se jako poměr napětí odtokového zdroje k odtokovému proudu. Musí se počítat pouze v zapnutém stavu tranzistoru.

3). Proč se v Boost Converter používá přepínač MOSFET?

Obecně potřebuje zesilovač pro provoz zařízení spínací tranzistor. Jako spínací tranzistor se tedy používají MOSFETy. Tato zařízení slouží ke zjištění aktuální hodnoty a hodnot napětí. Vzhledem k rychlosti a ceně přepínání jsou také značně využívány.

Stejným způsobem lze MOSFET použít také několika způsoby. a ty jsou

  • MOSFET jako přepínač pro LED
  • remove_circle_outline
  • MOSFET jako přepínač pro Arduino
  • Přepínač MOSFET pro střídavé zatížení
  • Přepínač MOSFET pro stejnosměrný motor
  • Přepínač MOSFET pro záporné napětí
  • MOSFET jako přepínač s Arduino
  • MOSFET jako přepínač s mikrokontrolérem
  • Přepínač MOSFET s hysterezí
  • MOSFET jako spínací dioda a aktivní rezistor
  • MOSFET jako přepínací rovnice
  • Přepínač MOSFET pro airsoft
  • MOSFET jako odpor brány
  • MOSFET jako spínací solenoid
  • Přepínač MOSFET pomocí optočlenu
  • Přepínač MOSFET s hysterezí

Aplikace MOSFET jako přepínače

Jedním z nejdůležitějších příkladů tohoto zařízení je to, že se používá jako přepínač automatická regulace jasu v pouličních světlech. V dnešní době se mnoho světel, které pozorujeme na dálnicích, skládá z výbojek s vysokou intenzitou. Používání výbojek HID však spotřebovává zvýšené energetické hladiny.

Jas nelze omezit na základě požadavku, a proto musí existovat přepínač pro alternativní metodu osvětlení a je to LED. Použití systému LED překoná nevýhody vysoce intenzivních světelných zdrojů. Hlavním konceptem této konstrukce bylo ovládání světel přímo na dálnicích pomocí mikroprocesoru.

Aplikace MOSFET jako přepínač

Aplikace MOSFET jako přepínač

Toho lze dosáhnout pouhou úpravou hodinových impulzů. Podle potřeby se toto zařízení používá pro spínání světel. Skládá se z desky Raspberry Pi, kde je součástí procesoru pro správu. Zde lze místo HID nahradit LED diody, které mají spojení s procesorem přes MOSFET. Mikrokontrolér poskytuje odpovídající pracovní cykly a poté přepne na MOSFET, aby poskytoval vysokou úroveň intenzity.

Výhody

Několik výhod je:

  • Generuje zvýšenou účinnost, i když pracuje při minimálních úrovních napětí
  • Neexistuje žádná přítomnost hradlového proudu, což vytváří větší vstupní impedanci, která dále zajišťuje zvýšenou rychlost spínání zařízení
  • Tato zařízení mohou fungovat při minimálních úrovních výkonu a používají minimální proud

Nevýhody

Několik nevýhod je:

  • Když tato zařízení fungují na úrovních přetíženého napětí, vytváří to nestabilitu zařízení
  • Protože zařízení mají tenkou vrstvu oxidu, mohlo by to při stimulaci elektrostatickými náboji způsobit poškození zařízení

Aplikace

Aplikace MOSFET jsou

  • Zesilovače vyrobené z MOSFET se extrémně používají v rozsáhlých frekvenčních aplikacích
  • Regulace pro stejnosměrné motory jsou zajištěna těmito zařízeními
  • Protože mají zvýšenou spínací rychlost, funguje jako konstrukce pro konstrukci chopperových zesilovačů
  • Funguje jako pasivní součást pro různé elektronické prvky.

Nakonec lze dojít k závěru, že tranzistor vyžaduje proud, zatímco MOSFET vyžaduje napětí. Požadavky na řízení pro MOSFET jsou mnohem lepší, mnohem jednodušší ve srovnání s BJT. A také vědět Jak připojím Mosfet k přepínači?

Fotografické kredity