MOSFETin perusteet: 13 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Hei! Tässä Instructable -ohjelmassa opetan sinulle MOSFET -laitteiden perusteet ja perusteilla tarkoitan todella perusasioita. Tämä video on ihanteellinen henkilöille, jotka eivät ole koskaan opiskelleet MOSFETia ammattimaisesti, mutta haluavat käyttää niitä projekteissa. Puhun n- ja p -kanavaisista MOSFET -laitteista, niiden käytöstä, miten ne ovat erilaisia, miksi molemmat ovat tärkeitä, miksi MOSFET -ajurit ja vastaavat. Puhun myös joistakin vähän tunnetuista tosiasioista MOSFET -laitteista ja paljon muuta.

Mennään siihen.

Vaihe 1: Katso video

Videot sisältävät kaiken tämän projektin rakentamiseen tarvittavan yksityiskohtaisesti. Videossa on joitain animaatioita, jotka auttavat ymmärtämään tosiasiat nopeasti. Voit katsoa sen, jos pidät visuaaleista, mutta jos haluat tekstin, suorita seuraavat vaiheet.

Vaihe 2: FET

Ennen kuin aloitan MOSFET -laitteiden käytön, esitän teille sen edeltäjän, JFET- tai Junction Field Effect Transistorin. Se helpottaa MOSFETin ymmärtämistä.

JFET: n poikkileikkaus näkyy kuvassa. Liittimet ovat identtisiä MOSFET -liittimien kanssa. Keskiosaa kutsutaan substraatiksi tai rungoksi, ja se on vain n- tai p -tyyppinen puolijohde FET -tyypistä riippuen. Alueita kasvatetaan sitten alustalla, jolla on vastakkainen tyyppi kuin substraatilla, nimetään portti, viemäri ja lähde. Riippumatta siitä, mitä jännitettä käytät, käytät näitä alueita.

Nykyään sillä on käytännön näkökulmasta hyvin vähän tai ei ollenkaan merkitystä. En aio selittää tätä enempää, koska se tulee liian tekniseksi eikä sitä vaadita joka tapauksessa.

JFET -symboli auttaa meitä ymmärtämään MOSFET -symbolin.

Vaihe 3: MOSFET

Tämän jälkeen tulee MOSFET, jolla on suuri ero porttiterminaalissa. Ennen porttiliittimen koskettimien tekemistä alustan päälle kasvatetaan piidioksidikerros. Tästä syystä se on nimetty metallioksidipuolijohdekenttävaikutransistoriksi. SiO2 on erittäin hyvä eristys tai voidaan sanoa eristäväksi. Tämä lisää portin vastusta asteikolla kymmenen kymmenen ohmin tehoon ja oletamme, että MOSFET -portin virta Ig on aina nolla. Tästä syystä sitä kutsutaan myös eristetyn portin kenttävaikutransistoriksi (IGFET). Kerros hyvästä johtimesta, kuten alumiinista, kasvatetaan lisäksi kaikkien kolmen alueen yläpuolelle ja sitten muodostetaan kontakteja. Portti -alueella näet, että muodostuu rinnakkaislevykondensaattorin kaltainen rakenne ja se itse asiassa tuo huomattavan kapasitanssin porttiliittimeen. Tätä kapasitanssia kutsutaan portin kapasitanssiksi ja se voi helposti tuhota piirisi, jos sitä ei oteta huomioon. Nämä ovat myös erittäin tärkeitä ammatillisella tasolla opiskellessa.

MOSFETien symboli näkyy oheisessa kuvassa. Toisen linjan sijoittaminen portille on järkevää, kun ne liitetään JFET -laitteisiin, mikä osoittaa, että portti on eristetty. Nuolen suunta tässä symbolissa kuvaa tavanomaista elektronivirran suuntaa MOSFETin sisällä, joka on vastakkainen nykyisen virtauksen suuntaan

Vaihe 4: MOSFET Onko 4 -päätelaite?

Vielä yksi asia, jonka haluaisin lisätä, on se, että useimmat ihmiset ajattelevat, että MOSFET on kolmen päätelaitteen, kun taas itse asiassa MOSFETin on neljän päätelaitteen. Neljäs päätelaite on runko. Olet ehkä nähnyt MOSFET -symbolin, keskimmäinen terminaali on runkoa varten.

Mutta miksi lähes kaikissa MOSFET -laitteissa on vain kolme terminaalia?

Runko -pääte on sisäisesti oikosulussa lähteeseen, koska siitä ei ole hyötyä näiden yksinkertaisten IC -laitteiden sovelluksissa, ja sen jälkeen symbolista tulee tuttu.

Runkoliitintä käytetään yleensä, kun valmistetaan monimutkainen CMOS -tekniikan IC. Muista, että tämä koskee n -kanavaista MOSFETia, kuva on hieman erilainen, jos MOSFET on p -kanava.

Vaihe 5: Näin se toimii

Ok, katsotaan nyt miten se toimii.

Bipolaarinen kytkentätransistori tai BJT on virtaohjattu laite, mikä tarkoittaa, että virran määrä sen peruspäätteessä määrää transistorin läpi kulkevan virran, mutta tiedämme, että virralla ei ole roolia MOSFET -porttiliittimessä ja yhdessä Voimme sanoa, että se on jänniteohjattu laite ei siksi, että portin virta on aina nolla, vaan sen rakenteen vuoksi, jota en selitä tässä ohjeessa sen monimutkaisuuden vuoksi.

Ajatellaanpa n -kanavaista MOSFETia. Kun porttiliittimeen ei syötetä jännitettä, substraatin ja tyhjennys- ja lähdealueen välissä on kaksi vastakkaista diodia, mikä aiheuttaa viemärin ja lähteen välisen polun resistanssin, joka on luokkaa 10 tehoon 12 ohmia.

Maadoitin lähteen nyt ja aloin lisätä portin jännitettä. Kun tietty minimijännite saavutetaan, vastus laskee ja MOSFET alkaa johtaa ja virta alkaa virrata viemäristä lähteeseen. Tätä minimijännitettä kutsutaan MOSFETin kynnysjännitteeksi, ja nykyinen virtaus johtuu kanavan muodostumisesta viemäristä lähteeseen MOSFET -alustalla. Kuten nimestä voi päätellä, n -kanavaisessa MOSFET -kanavassa kanava koostuu n tyyppisestä virransiirtimestä eli elektronista, mikä on vastakkaista alustan tyypin kanssa.

Vaihe 6: Mutta…

Se on vasta täällä alkanut. Kynnysjännitteen käyttäminen ei tarkoita, että olet vain valmis käyttämään MOSFETia. Jos katsot IRFZ44N: n, n -kanavaisen MOSFETin, tietolomaketta, huomaat, että sen kynnysjännitteellä vain tietty vähimmäisvirta voi kulkea sen läpi. Tämä on hyvä, jos haluat käyttää vain pienempiä kuormia, kuten vain LED -valoja, mutta mitä järkeä siinä sitten on. Joten jos käytät suurempia kuormia, jotka kuluttavat enemmän virtaa, sinun on käytettävä enemmän jännitettä porttiin. Kasvava porttijännite parantaa kanavaa aiheuttaen enemmän virtaa sen läpi. MOSFETin kytkemiseksi kokonaan päälle jännitteen Vgs, joka on portin ja lähteen välinen jännite, on oltava jossain noin 10–12 volttia, mikä tarkoittaa, että jos lähde on maadoitettu, portin on oltava noin 12 volttia.

Juuri keskusteltuamme MOSFETia kutsutaan parannustyyppisiksi MOSFETeiksi, koska kanava paranee portin jännitteen kasvaessa. On olemassa toinen MOSFET -tyyppi, jota kutsutaan tyhjennystyypiksi MOSFET. Suurin ero on siinä, että kanava on jo läsnä tyhjennystyypissä MOSFET. Tämän tyyppisiä MOSFET -laitteita ei yleensä ole saatavana markkinoilla. Tyhjennystyypin MOSFET symboli on erilainen, jatkuva viiva osoittaa, että kanava on jo läsnä.

Vaihe 7: Miksi MOSFET -ohjaimet?

Oletetaan nyt, että käytät mikro -ohjainta MOSFETin ohjaamiseen, jolloin voit käyttää porttiin enintään 5 volttia tai vähemmän, mikä ei riitä suurille virtakuormille.

Mitä voit tehdä, on käyttää MOSFET -ohjainta, kuten TC4420, sinun on vain annettava looginen signaali sen sisääntuloihin ja se huolehtii lopusta tai voit rakentaa ohjaimen itse, mutta MOSFET -ohjaimella on paljon enemmän etuja se, että se huolehtii myös useista muista asioista, kuten portin kapasitanssista jne.

Kun MOSFET on täysin päällä, sen vastus on merkitty Rdsonilla ja se on helposti löydettävissä tietolomakkeesta.

Vaihe 8: P -kanavan MOSFET

P -kanavainen MOSFET on juuri n -kanavan MOSFETin vastakohta. Virta virtaa lähteestä viemäriin ja kanava koostuu p -tyyppisistä varauskannattimista eli rei'istä.

P -kanavan MOSFET -lähteen on oltava suurimmalla potentiaalilla ja sen kytkemiseksi kokonaan päälle Vgs: n on oltava negatiivinen 10–12 volttia

Jos esimerkiksi lähde on kytketty 12 volttiin, portin on oltava nollajännitteellä, ja sen on voitava kytkeä se kokonaan päälle, ja siksi me yleensä sanomme, että 0 voltin käyttäminen portin kääntymiskanavalle MOSFET ON ja näiden vaatimusten vuoksi MOSFET -ohjain n kanavaa ei voi käyttää suoraan p -kanavan MOSFET kanssa. P -kanavaisia MOSFET -ohjaimia on saatavana markkinoilla (kuten TC4429) tai voit yksinkertaisesti käyttää invertteriä, jossa on n -kanavainen MOSFET -ohjain. P -kanavan MOSFET -laitteilla on suhteellisen suurempi ON -vastus kuin n -kanavaisilla MOSFET -laitteilla, mutta se ei tarkoita, että voit aina käyttää n -kanavaista MOSFET -laitetta kaikkiin mahdollisiin sovelluksiin.

Vaihe 9: Mutta miksi?

Oletetaan, että sinun on käytettävä MOSFETia ensimmäisessä kokoonpanossa. Tällaista kytkentää kutsutaan matalan puolen kytkimeksi, koska käytät MOSFET -laitetta laitteen liittämiseen maahan. N -kanavainen MOSFET sopisi parhaiten tähän työhön, koska Vgs ei vaihtele ja sitä voidaan helposti ylläpitää 12 voltin jännitteellä.

Mutta jos haluat käyttää n -kanavaista MOSFETia korkealle sivukytkennälle, lähde voi olla missä tahansa maan ja Vcc: n välillä, mikä lopulta vaikuttaa jännitteeseen Vgs, koska portin jännite on vakio. Tällä on valtava vaikutus MOSFETin moitteettomaan toimintaan. Myös MOSFET palaa, jos Vgs ylittää mainitun enimmäisarvon, joka on keskimäärin noin 20 volttia.

Näin ollen ei ole kakkukävelyä käyttää n -kanavaisia MOSFET -laitteita täällä, mutta käytämme p -kanavan MOSFETia huolimatta siitä, että meillä on suurempi ON -vastus, koska sillä on se etu, että Vgs on vakio koko korkean sivukytkennän aikana. On myös muita menetelmiä, kuten bootstrapping, mutta en käsittele niitä nyt.

Vaihe 10: Id-Vds-käyrä

Lopuksi katsotaanpa nopeasti näitä Id-Vds-käyrää. MOSFET toimii kolmella alueella, kun Vgs on pienempi kuin kynnysjännite, MOSFET on katkaisualueella eli se on pois päältä. Jos Vgs on suurempi kuin kynnysjännite, mutta pienempi kuin tyhjennyksen ja lähteen ja kynnysjännitteen välisen jännitehäviön summa, sen sanotaan olevan triodialueella tai lineaarisella alueella. Vuorausalueella MOSFETia voidaan käyttää jännitteen muuttujana. Jos Vgs on suurempi kuin mainittu jännitesumma, tyhjennysvirta muuttuu vakioksi sen sanotaan toimivan kyllästysalueella ja jotta MOSFET toimisi kytkimenä, sitä tulisi käyttää tällä alueella, koska maksimivirta voi kulkea MOSFETin läpi tällä alueella.

Vaihe 11: Ehdotuksia osiksi

n Kanava MOSFET: IRFZ44N

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

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

n -kanavan MOSFET -ohjain: TC4420US -

p -kanavan MOSFET -ohjain: TC4429

Vaihe 12: Siinä kaikki

Sinun täytyy nyt tuntea MOSFET -laitteiden perusteet ja pystyä valitsemaan täydellinen MOSFET projektillesi.

Mutta edelleen on kysymys, milloin meidän pitäisi käyttää MOSFET -laitteita? Yksinkertainen vastaus on, kun sinun on vaihdettava suurempia kuormia, jotka vaativat enemmän jännitettä ja virtaa. MOSFET -laitteiden etuna on pienin tehohäviö verrattuna BJT -laitteisiin jopa suuremmilla virroilla.

Jos olen missannut jotain, olen väärässä tai sinulla on vinkkejä, kommentoi alle.

Harkitse Instructables- ja YouTube -kanavamme tilaamista. Kiitos, että luit, nähdään seuraavassa Instructable -ohjelmassa.

Vaihe 13: Käytetyt osat

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

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

n -kanavan MOSFET -ohjain: TC4420US -

p Kanavan MOSFET -ohjain: TC4429