MOSFET używany jako przełącznik kontroluje przepływ prądu poprzez zmianę napięcia bramki. Jest stosowany, ponieważ przełącza się szybko, wymaga bardzo niewielkiego prądu wejściowego i może działać efektywnie w wielu obwodach.
Przełączanie MOSFET-a
MOSFET używany jako przełącznik to urządzenie półprzewodnikowe, które kontroluje przepływ prądu między drenażem a źródłem poprzez przyłożenie napięcia bramki. Brama decyduje, czy droga między odpływem a źródłem jest wyłączona, czy włączona. Ponieważ bramka ma bardzo wysoką impedancję wejściową, potrzeba bardzo niewielkiego prądu wejściowego do sterowania przełączaniem. Dzięki temu MOSFET jest użyteczny w układach wymagających szybkiego i efektywnego przełączania.
Proces przełączania MOSFET-ów
Działanie przełączające MOSFET zależy od napięcia bramka-źródło, czyli VGS. Gdy napięcie bramki pozostaje poniżej progu potrzebnego do utworzenia przewodzącego kanału, MOSFET pozostaje wyłączony, a prąd nie przepływa przez ścieżkę drenaż-źródło. Gdy napięcie bramki osiągnie wymagany poziom, kanał się formuje, a MOSFET się włącza, umożliwiając przepływ prądu.
Stany MOSFET ON i OFF
Przełącznik MOSFET ma dwa główne stany pracy: OFF i ON.
• W stanie OFF napięcie bramk-źródło jest zbyt niskie, by utworzyć kanał, więc prąd nie może płynąć między drenażem a źródłem. W tym stanie MOSFET blokuje przepływ prądu.
• W stanie ON napięcie bramka-źródło jest na tyle wysokie, że tworzy przewodzący kanał. Prąd może wtedy płynąć między drenażem a źródłem, a MOSFET ma niską rezystancję włączenia.
Typy i konfiguracje przełączników MOSFET
N-kanałowy MOSFET
N-kanałowy MOSFET jest powszechny w obwodach przełączających, ponieważ ma niższą rezystancję włączenia. Włącza się, gdy napięcie bramki przekroczy napięcie źródła.
P-Channel MOSFET
Tranzef MOSFET z kanałem P włącza się, gdy napięcie bramki jest niższe niż napięcie źródła. Często stosuje się, gdy przełącznik jest umieszczony po stronie zasilania obwodu.
Przełączanie po niskiej stronie
W przełączaniu po niskiej stronie MOSFET jest umieszczony pomiędzy obciążeniem a masą. To rozwiązanie jest używane z N-kanałowymi MOSFET-ami.
Przełączanie po wysokich stronach
W przełączaniu po stronie wysokiej strony MOSFET jest umieszczony pomiędzy zasilaczem a obciążeniem. Takie rozwiązanie stosuje się, gdy obciążenie pozostaje podłączone do masy.
Parametry głównego przełącznika MOSFET
• Napięcie drena-źródło to maksymalne napięcie, jakie MOSFET może obsłużyć między drenażem a źródłem.
• Wartość prądu pokazuje, ile prądu MOSFET może przenieść w określonych warunkach.
• RDS(on) to rezystancja źródła drenażu, gdy MOSFET jest włączony. Wpływa na spadek napięcia i utratę przewodzenia.
• Napięcie progowe bramki to napięcie bramk-źródło, przy którym MOSFET zaczyna przewodzić. Pokazuje początek formowania kanałów, a nie pełną wydajność przełączania.
• Ładunek bramki to ilość ładunku potrzebna do zmiany napięcia bramki podczas przełączania. Wpływa na zachowanie przełączania.
Utrata mocy i ochrona MOSFET-ów
MOSFET używany jako przełącznik powoduje pewne straty mocy. Gdy jest włączony, utrata przewodzenia następuje, ponieważ urządzenie nadal ma niewielką opór włączony. Podczas włączania i wyłączania straty przełączania występują również dlatego, że napięcie i prąd na krótko nakładają się podczas zmiany stanu MOSFET-a.
W rzeczywistych obwodach przełączanie może również narażać MOSFET na naprężenia elektryczne. Obciążenia indukcyjne mogą powodować skoki napięcia, gdy prąd nagle zostaje przerwany. Te skutki mogą wpływać na działanie urządzenia i potrzeby ochrony.
Zastosowania MOSFET jako przełącznika
• Stosowane w obwodach zasilających do przełączania podczas konwersji napięcia
• Stosowane w układach sterowania silnikiem do przełączania mocy dla kontroli prędkości i kierunku
• Stosowane w obwodach LED do przełączania obciążeń oświetleniowych
• Powszechne w urządzeniach zasilanych bateriami dla efektywnej kontroli mocy
• Stosowane w układach cyfrowych i sterujących jako przełączniki elektroniczne
Porównanie: MOSFET jako przełącznik vs BJT jako przełącznik
| Aspekt | MOSFET jako przełącznik | BJT jako przełącznik |
|---|---|---|
| Metoda sterowania | Sterowane napięciem bramki | Sterowane prądem bazowym |
| Wymagania wejściowe | Wymaga bardzo niewielkiego prądu wejściowego | Wymaga ciągłego prądu bazowego |
| Impedancja wejściowa | Bardzo wysoki | Niższy niż MOSFET |
| Prędkość przełączania | Szybsze przełączanie | Wolniejsze przełączanie |
| Utrata mocy | Niższe straty stanu ON-state w wielu przypadkach | Większa strata spowodowana spadkiem napięcia |
| Obwód napędowy | Prosty napęd napięciowy | Potrzebuje napędu prądowego |
| Wydajność | Zazwyczaj wyższe | Zazwyczaj niższy |
| Generowanie ciepła | Niższy w wielu zastosowaniach przełączających | Wyższe w wielu aplikacjach przełączających |
| Przydatność do przełączania wysokich częstotliwości | Bardziej odpowiedni | Mniej odpowiednie |
| Czułość | Bardziej wrażliwa na elektryczność statyczną | Mniej wrażliwy na elektryczność statyczną |
| Zachowanie sterowania prądem | Lepsze do efektywnego przełączania elektronicznego | Lepsze do pracy sterowanej prądem |
| Typowe zastosowanie przełączania | Powszechne w szybkich i wydajnych układach przełączających | Powszechne w prostych, tanich układach przełączających |
Zakończenie
MOSFET działa jako przełącznik, kontrolując ścieżkę między drenażem a źródłem za pomocą napięcia bramki. Jego wydajność zależy od prawidłowego napędu bramki, prawidłowych parametrów urządzeń oraz kontroli ciepła, strat i obciążeń napięciowych. Artykuł przedstawia główne typy przełączania, zachowanie przełączania, parametry, zastosowania oraz porównanie z przełączaniem BJT. Zrozumienie tych punktów pomaga zrozumieć, jak urządzenie działa bezpiecznie w rzeczywistych obwodach.
Najczęściej zadawane pytania [FAQ]
Co robi rezystor bramki w układzie MOSFET?
Rezystor bramki pomaga kontrolować prędkość przełączania i redukować szumy.
Czy napięcie progowe bramki oznacza, że MOSFET jest w pełni włączony?
Nie. To tylko oznacza, że MOSFET zaczyna przewodzić.
Dlaczego używać logicznego MOSFET-a?
Może się prawidłowo włączyć przy niskim napięciu bramki.
Dlaczego obciążenia indukcyjne są ryzykowne dla tranzytu MOSFET?
Mogą powodować skoki napięcia, które mogą uszkodzić MOSFET.
Czy temperatura wpływa na wydajność MOSFET-a?
Tak. Wyższe temperatury mogą zwiększać opór i ciepło.
Czy można przetestować MOSFET przed użyciem?
Tak. Multimetr może sprawdzić podstawowe usterki.
