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MOSFET como conmutador - Uso de la conmutación MOSFET de potencia

Transistores

Vimos anteriormente, que el canal N,El MOSFET en modo de mejora (e-MOSFET) funciona con un voltaje de entrada positivo y tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi infinita) que hace posible la interfaz con casi cualquier puerta lógica o controlador capaz de producir una salida positiva.

También vimos que, debido a esta alta resistencia de entrada (Puerta), podemos conectar en paralelo muchos MOSFETS diferentes hasta que alcancemos la capacidad de manejo actual que requerimos.

Mientras se conectan varios MOSFETS enEl paralelo puede permitirnos cambiar corrientes elevadas o cargas de alto voltaje, por lo que resulta costoso y poco práctico tanto en los componentes como en el espacio de la placa de circuitos. Para superar este problema Transistores de efecto de campo de energía o Power FET's donde desarrollado.V

Ahora sabemos que hay dos diferencias principales.entre los transistores de efecto de campo, modo de agotamiento solo para JFET y modo de mejora y modo de agotamiento para MOSFET. En este tutorial veremos usando el Modo de mejora MOSFET como un interruptor ya que estos transistores requieren un voltaje de compuerta positivo para "ENCENDER" y un voltaje de cero para "APAGAR", haciéndolos fácilmente entendibles como interruptores y también fáciles de interconectar con puertas lógicas.

El funcionamiento del MOSFET en modo de mejora, o e-MOSFET, se puede describir mejor utilizando las curvas de características I-V que se muestran a continuación. Cuando la tensión de entrada, (VEN ) a la puerta del transistor es cero, el MOSFET no conduce virtualmente ninguna corriente y la tensión de salida (VAFUERA ) es igual a la tensión de alimentación VDD. Así que el MOSFET está "APAGADO" operando dentro de su región de "corte".

Curvas de caracteristicas del MOSFET

modo de mejora mosfet

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El voltaje de la puerta de estado ON mínimo requerido para garantizar que el MOSFET permanezca en "ON" cuando se lleva la corriente de drenaje seleccionada se puede determinar a partir de las curvas de transferencia V-I anteriores. Cuando vEN es ALTO o igual a VDD, el punto Q del MOSFET se mueve al punto A a lo largo de la línea de carga.

La corriente de drenaje Ire aumenta a su valor máximo debido a una reducción en la resistencia del canal. yore se convierte en un valor constante independiente de VDD, y depende solo de VGS. Por lo tanto, el transistor se comporta como un interruptor cerrado pero la resistencia ON del canal no se reduce completamente a cero debido a su RDS (activado) Valor, pero se vuelve muy pequeño.

Del mismo modo, cuando VEN es BAJO o reducido a cero, el punto Q del MOSFETse mueve desde el punto A al punto B a lo largo de la línea de carga. La resistencia del canal es muy alta, por lo que el transistor actúa como un circuito abierto y no fluye corriente a través del canal. Por lo tanto, si el voltaje de la compuerta del MOSFET alterna entre dos valores, ALTO y BAJO, el MOSFET se comportará como un interruptor de estado sólido de "unipolar de un solo polo" (SPST) y esta acción se define como:

1. Región de corte

Aquí las condiciones de operación del transistor son cero voltaje de la puerta de entrada (VEN ), cero corriente de drenaje Ire y voltaje de salida VAFUERA = VDD. Por lo tanto, para un tipo de mejora MOSFET, el canal conductor se cierra y el dispositivo se apaga.

Características de corte

corte del interruptor mosfet
  • • La entrada y la compuerta están conectadas a tierra (0V)
  • • Tensión de la fuente de la puerta menor que la tensión de umbral VGS <VTH
  • • MOSFET está en "OFF" (región de corte)
  • • No hay flujos de corriente de drenaje (Ire = 0 amperios)
  • • VAFUERA = VDS = VDD = ”1 ″
  • • MOSFET funciona como un "interruptor abierto"

Luego podemos definir la región de corte o el "modo OFF" cuando se usa un e-MOSFET como interruptor, como voltaje de compuerta, VGS <VTH asi yore = 0. Para un MOSFET de mejora de canal P, el potencial de la Puerta debe ser más positivo con respecto a la Fuente.

2. Región de saturación

En la región de saturación o lineal, el transistor se polarizará de manera que la cantidad máxima de voltaje de compuerta se aplique al dispositivo, lo que resulta en la resistencia del canal RDS (en siendo lo más pequeño posible con la corriente de drenaje máxima que fluye a través del interruptor MOSFET. Por lo tanto, para el tipo de mejora MOSFET, el canal conductor está abierto y el dispositivo está "ENCENDIDO".

Caracteristicas de saturacion

saturación del interruptor mosfet
  • • La entrada y la puerta están conectadas a VDD
  • • La tensión de la fuente de la puerta es mucho mayor que la tensión de umbral VGS > VTH
  • • MOSFET está “ENCENDIDO” (región de saturación)
  • • Flujos de corriente de drenaje máximo (Ire = VDD / RL )
  • • VDS = 0V (saturación ideal)
  • • Resistencia mínima del canal RDS (activado) <0.1Ω
  • • VAFUERA = VDS ≅ 0.2V debido a RDS (activado)
  • • MOSFET funciona como un "interruptor cerrado" de baja resistencia

Luego podemos definir la región de saturación o el "modo ENCENDIDO" cuando se usa un e-MOSFET como un interruptor como voltaje de fuente de compuerta, VGS > VTH asi yore = Maximo Para un MOSFET de mejora de canal P, el potencial de la Puerta debe ser más negativo con respecto a la Fuente.

Al aplicar un voltaje de excitación adecuado a la compuerta de un FET, la resistencia del canal de la fuente de drenaje, RDS (activado) se puede variar desde una "resistencia de APAGADO" de muchos cientos de kΩ, efectivamente un circuito abierto, hasta una "resistencia de ENCENDIDO" de menos de 1Ω, actuando efectivamente como un cortocircuito.

Cuando usamos el MOSFET como un interruptor podemos conducirel MOSFET para "ENCENDER" más rápido o más lento, o pasar corrientes altas o bajas. Esta capacidad de ENCENDER y APAGAR el MOSFET de potencia permite que el dispositivo se utilice como un interruptor muy eficiente con velocidades de conmutación mucho más rápidas que los transistores de unión bipolar estándar.

Un ejemplo de uso del MOSFET como un interruptor

usando el mosfet como un interruptor

En esta disposición de circuito, se está utilizando un MOSFET de canal N en modo Mejora para encender y apagar una lámpara simple (también podría ser un LED).

La tensión de entrada de la puerta VGS se lleva a un nivel de voltaje positivo apropiado para encender el dispositivo y, por lo tanto, la carga de la lámpara se puede "ENCENDER", (VGS = + ve) o en un nivel de voltaje cero que apague el dispositivo, (VGS = 0V).

Si la carga resistiva de la lámpara fuera a serreemplazado por una carga inductiva como una bobina, un solenoide o un relé, se requeriría un “diodo de volante” en paralelo con la carga para proteger el MOSFET de cualquier back-emf autogenerado.

Arriba se muestra un circuito muy simple para cambiar unaCarga resistiva tal como una lámpara o LED. Pero cuando se usan MOSFET de potencia para conmutar cargas inductivas o capacitivas, se requiere algún tipo de protección para evitar que el dispositivo MOSFET se dañe. Conducir una carga inductiva tiene el efecto opuesto de conducir una carga capacitiva.

Por ejemplo, un condensador no cargado esefectivamente un cortocircuito, lo que resulta en una alta corriente de arranque cuando se aplica un voltaje por primera vez a través de sus placas. Además, cuando eliminamos la tensión de alimentación de una carga inductiva, se acumula una gran tensión inversa a medida que el campo magnético se colapsa, lo que produce un retroceso inducido a través de los devanados del inductor.

Luego, podemos resumir las características de conmutación del canal MOS y del tipo de canal P MOSFET dentro de la siguiente tabla.

Tipo MOSFET VGS ≪ 0 VGS = 0 VGS ≫ 0
Mejora de canal N APAGADO APAGADO EN
Agotamiento del canal N APAGADO EN EN
Mejora del canal P EN APAGADO APAGADO
Agotamiento del canal P EN EN APAGADO

Tenga en cuenta que a diferencia del MOSFET de canal N cuya puertaEl terminal debe ser más positivo (atraer electrones) que la fuente para permitir que la corriente fluya a través del canal, la conducción a través del MOSFET del canal P se debe al flujo de los orificios. Es decir, el terminal de puerta de un MOSFET de canal P debe hacerse más negativo que la fuente y solo detendrá la conducción (corte) hasta que la puerta sea más positiva que la fuente.

Por lo tanto, para que el MOSFET de potencia de tipo de mejora funcione como un dispositivo de conmutación analógico, debe cambiarse entre su "Región de corte" donde: VGS = 0V (o VGS = -ve) y su "Región de saturación" donde: VGS (en) = + ve. El poder disipado en el MOSFET (Pre ) depende de la corriente que fluye a través del canal Ire en saturación y también la "resistencia ON" del canal dado como RDS (activado). Por ejemplo.

MOSFET como un ejemplo de interruptor No1

Asumamos que la lámpara tiene una potencia nominal de 6v, 24W y está completamente "ENCENDIDA", el MOSFET estándar tiene una resistencia de encendido del canal (RDS (activado) ) Valor de 0.1ohms. Calcule la potencia disipada en el dispositivo de conmutación MOSFET.

La corriente que fluye a través de la lámpara se calcula como:

interruptor de corriente mosfet canal actual

Entonces el poder disipado en el MOSFET se dará como:

disipador de potencia del interruptor mosfet

Puede estar sentado allí pensando, bueno, ¿y qué? Pero cuando use el MOSFET como un interruptor para controlar motores de CC o cargas eléctricas con altas corrientes de arranque, la resistencia del canal "ON" (RDS (activado) ) entre el desagüe y la fuente es muyimportante. Por ejemplo, los MOSFET que controlan los motores de CC están sujetos a una alta corriente de entrada cuando el motor comienza a girar por primera vez, porque la corriente de arranque de los motores solo está limitada por el muy bajo valor de resistencia de los devanados de los motores.

Como la relación de poder básica es: P = I2* R, entonces una R altaDS (activado) valor de resistencia del canal simplemente daría lugar aGrandes cantidades de energía se disipan y se desperdician dentro del propio MOSFET, lo que resulta en un aumento excesivo de la temperatura, que si no se controla puede hacer que el MOSFET se caliente y dañe debido a una sobrecarga térmica.

Una menor rDS (activado) El valor de la resistencia del canal también es un parámetro deseable, ya que ayuda a reducir la tensión de saturación efectiva de los canales (VDS (sat) = Yore* RDS (activado) ) a través del MOSFET y, por lo tanto, funcionará a una temperatura más fresca. Los MOSFET de potencia generalmente tienen una RDS (activado) valor de menos de 0.01Ω que les permite funcionar más fresco, extendiendo su vida útil operativa.

Una de las principales limitaciones al usar un MOSFET como dispositivo de conmutación es la corriente de drenaje máxima que puede manejar. Así que la RDS (activado) El parámetro es una guía importante para la eficiencia de conmutación del MOSFET y se proporciona simplemente como la relación de VDS / YOre cuando el transistor se enciende.

Cuando se utiliza un MOSFET o cualquier tipo de transistor de efecto de campo como un dispositivo de conmutación de estado sólido, siempre es recomendable seleccionar los que tienen una R muy bajaDS (activado) valor o al menos montarlos en un adecuadoDisipador térmico para ayudar a reducir cualquier fuga térmica y daños. Los MOSFET de potencia utilizados como un interruptor generalmente tienen protección contra sobrecargas incorporada en su diseño, pero para aplicaciones de alta corriente, el transistor de unión bipolar es una mejor opción.

MOSFET motor de control de potencia

Debido a la extremadamente alta entrada o puertaLa resistencia que tiene el MOSFET, sus velocidades de conmutación muy rápidas y la facilidad con la que se pueden accionar las hace ideales para interactuar con amplificadores operacionales o puertas lógicas estándar. Sin embargo, se debe tener cuidado para asegurar que la tensión de entrada de la fuente de la puerta se elija correctamente porque al usar el MOSFET como interruptor El dispositivo debe obtener una R baja.DS (activado) Resistencia del canal en proporción a esta tensión de entrada.

Los MOSFET de potencia de tipo umbral bajo no pueden cambiar"ENCENDIDO" hasta que se haya aplicado al menos 3V o 4V a su compuerta y si la salida de la compuerta lógica es solo lógica de + 5V, puede ser insuficiente para que el MOSFET quede completamente saturado. Se dispone de MOSFET de umbral inferior diseñados para interactuar con las puertas lógicas TTL y CMOS que tienen umbrales tan bajos como 1.5V a 2.0V.

Los MOSFET de potencia pueden usarse para controlar el movimiento.de motores de corriente continua o motores paso a paso sin escobillas directamente desde la lógica de la computadora o mediante el uso de controladores de tipo de modulación de ancho de pulso (PWM). Como un motor de CC ofrece un alto par de arranque y también es proporcional a la corriente de armadura, los interruptores MOSFET junto con un PWM se pueden usar como un controlador de velocidad muy bueno que proporcionaría un funcionamiento suave y silencioso del motor.

Controlador de motor MOSFET de potencia simple

Mosfet como un interruptor

Como la carga del motor es inductiva, un simple volanteel diodo está conectado a través de la carga inductiva para disipar cualquier fem posterior generada por el motor cuando el MOSFET lo apaga. También se puede utilizar una red de sujeción formada por un diodo Zener en serie con el diodo para permitir una conmutación más rápida y un mejor control de la tensión de inversión máxima y el tiempo de desconexión.

Para mayor seguridad, un silicio adicional o diodo Zener D1 También se puede colocar a través del canal de un MOSFET.interruptor cuando se usan cargas inductivas, como motores, relés, solenoides, etc., para suprimir los transitorios de conmutación de sobretensión y el ruido que proporciona protección adicional al interruptor MOSFET, si es necesario. Resistor RGS se usa como una resistencia de bajada para ayudar a bajar el voltaje de salida TTL a 0 V cuando el MOSFET se apaga.

Interruptor MOSFET de canal P

Hasta ahora hemos visto el MOSFET de canal Ncomo interruptor donde se coloca el MOSFET entre la carga y el suelo. Esto también permite que la señal de conmutación o la unidad de la puerta del MOSFET sea referenciada a tierra (conmutación del lado bajo).

p canal interruptor mosfet
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Canal p
Interruptor MOSFET

Pero en algunas aplicaciones requerimos el uso deMOSFET de modo de mejora de canal P donde la carga se conecta directamente a tierra. En este caso, el interruptor MOSFET está conectado entre la carga y el riel de suministro positivo (conmutación del lado alto) como lo hacemos con los transistores PNP.

En un dispositivo de canal P, el flujo convencional de la corriente de drenaje está en la dirección negativa, por lo que se aplica un voltaje de fuente de compuerta negativo para encender el transistor.

Esto se logra porque el MOSFET de canal P está "al revés" con su terminal de origen conectado a la fuente positiva + VDD. Luego, cuando el interruptor pasa a BAJO, el MOSFET se pone en "ON" y cuando el interruptor se pone en ALTO el MOSFET se pone en "OFF".

Esta conexión al revés de un canal PEl conmutador MOSFET de modo de mejora nos permite conectarlo en serie con un MOSFET de modo de mejora de canal N para producir un dispositivo de conmutación CMOS o complementario como se muestra en una fuente doble.

Controlador de motor MOSFET complementario

interruptor mosfet complementario

Los dos MOSFET están configurados para producir unInterruptor bidireccional de una fuente de alimentación doble con el motor conectado entre la conexión de drenaje común y la referencia a tierra. Cuando la entrada es BAJA, el MOSFET del canal P se enciende cuando la unión de la puerta y la fuente tiene una polarización negativa, por lo que el motor gira en una dirección. Solo lo positivo + VDD El riel de alimentación se utiliza para accionar el motor.

Cuando la entrada es ALTA, el dispositivo de canal PEl dispositivo se apaga y el dispositivo de canal N se enciende cuando la unión de la puerta y la fuente tiene una polarización positiva. Ahora el motor gira en la dirección opuesta porque la tensión del terminal del motor se ha invertido, ya que ahora recibe alimentación negativa.DD riel de suministro

Luego se usa el MOSFET de canal P para cambiar elsuministro positivo al motor para la dirección de avance (conmutación del lado alto) mientras que el MOSFET de canal N se utiliza para conmutar el suministro negativo al motor para la dirección de retroceso (conmutación del lado bajo).

Hay una variedad de configuraciones para manejar los dos MOSFET con muchas aplicaciones diferentes. Los dispositivos de canal P y canal N pueden ser controlados por un solo IC de unidad de puerta como se muestra.

Sin embargo, para evitar la conducción cruzada con ambosA los MOSFETS que conducen al mismo tiempo a través de las dos polaridades de la fuente dual, se requiere que los dispositivos de conmutación rápida proporcionen alguna diferencia de tiempo entre ellos apagando y apagando el "ENCENDIDO". Una forma de superar este problema es manejar ambas puertas MOSFETS por separado. Esto produce una tercera opción de "PARADA" al motor cuando ambos MOSFETS están "APAGADOS".

Mesa de control de motor MOSFET complementaria

MOSFET 1 MOSFET 2 Función motora
APAGADO APAGADO Motor parado (apagado)
EN APAGADO El motor gira hacia adelante
APAGADO EN El motor gira al revés
EN EN NO PERMITIDO

Tenga en cuenta que es importante que no se permita ninguna otra combinación de entradas al mismo tiempo, ya que esto puede provocar un cortocircuito en la fuente de alimentación, ya que ambos MOSFETS, FET1 y FET2 podrían ser "ENCENDIDOS" juntos dando como resultado: (¡fusible = bang!), ser advertido.

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