Βασικά στοιχεία MOSFET: 13 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Γεια! Σε αυτό το Instructable, θα σας διδάξω τα βασικά των MOSFET και με τα βασικά, εννοώ πραγματικά τα βασικά. Αυτό το βίντεο είναι ιδανικό για ένα άτομο που δεν έχει σπουδάσει ποτέ επαγγελματικά το MOSFET, αλλά θέλει να το χρησιμοποιήσει σε έργα. Θα μιλήσω για MOSFET καναλιού n και p, πώς να τα χρησιμοποιήσετε, πώς διαφέρουν, γιατί και τα δύο είναι σημαντικά, γιατί προγράμματα οδήγησης MOSFET και τέτοια πράγματα. Θα μιλήσω επίσης για μερικά ελάχιστα γνωστά γεγονότα για τα MOSFET και πολλά άλλα.

Ας μπούμε σε αυτό.

Βήμα 1: Δείτε το βίντεο

Τα βίντεο έχουν όλα όσα καλύπτονται λεπτομερώς για την κατασκευή αυτού του έργου. Το βίντεο έχει κάποιες κινούμενες εικόνες που θα σας βοηθήσουν να κατανοήσετε γρήγορα τα γεγονότα. Μπορείτε να το παρακολουθήσετε αν προτιμάτε οπτικά, αλλά αν προτιμάτε κείμενο, ακολουθήστε τα επόμενα βήματα.

Βήμα 2: Το FET

Πριν ξεκινήσετε τα MOSFET, επιτρέψτε μου να σας παρουσιάσω τον προκάτοχό του, το JFET ή το Junction Field Effect Transistor. Θα κάνει την κατανόηση του MOSFET λίγο πιο εύκολη.

Η διατομή ενός JFET φαίνεται στην εικόνα. Τα τερματικά είναι πανομοιότυπα με τα τερματικά MOSFET. Το κεντρικό τμήμα ονομάζεται υπόστρωμα ή σώμα και είναι απλά ένας ημιαγωγός τύπου n ή p τύπου, ανάλογα με τον τύπο του FET. Οι περιοχές στη συνέχεια αναπτύσσονται στο υπόστρωμα που έχει αντίθετο τύπο από αυτόν του υποστρώματος που ονομάζονται πύλη, αποστράγγιση και πηγή. Όποια τάση και αν εφαρμόσετε, εφαρμόζετε σε αυτές τις περιοχές.

Σήμερα, από πρακτική άποψη, έχει πολύ μικρή έως καθόλου σημασία. Δεν θα πάω για περισσότερες εξηγήσεις πέρα από αυτό, καθώς θα γίνει πολύ τεχνικό και δεν απαιτείται ούτως ή άλλως.

Το σύμβολο του JFET θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε το σύμβολο του MOSFET.

Βήμα 3: Το MOSFET

Μετά από αυτό έρχεται το MOSFET, έχοντας μια σημαντική διαφορά στο τερματικό πύλης. Πριν από τις επαφές για τον τερματικό πύλης αναπτύσσεται ένα στρώμα διοξειδίου του πυριτίου πάνω από το υπόστρωμα. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ονομάστηκε Transistor Metal Effect Semiconductor Field Transistor. Το SiO2 είναι ένα πολύ καλό διηλεκτρικό, ή μπορείς να πεις μονωτικό. Αυτό αυξάνει την αντίσταση πύλης στην κλίμακα δέκα στην ισχύ δέκα ωμ και υποθέτουμε ότι σε μια πύλη MOSFET το ρεύμα Ig είναι πάντα μηδέν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο ονομάζεται επίσης τρανζίστορ εφέ πεδίου με μονωμένη πύλη (IGFET). Ένα στρώμα ενός καλού αγωγού όπως το αλουμίνιο αναπτύσσεται επιπλέον πάνω από τις τρεις περιοχές και στη συνέχεια γίνονται επαφές. Στην περιοχή της πύλης, μπορείτε να δείτε ότι σχηματίζεται μια δομή σαν πυκνωτής παράλληλης πλάκας και στην πραγματικότητα εισάγει μια σημαντική χωρητικότητα στον ακροδέκτη της πύλης. Αυτή η χωρητικότητα ονομάζεται χωρητικότητα πύλης και μπορεί εύκολα να καταστρέψει το κύκλωμά σας εάν δεν ληφθεί υπόψη. Αυτά είναι επίσης πολύ σημαντικά όταν σπουδάζετε σε επαγγελματικό επίπεδο.

Το σύμβολο για τα MOSFET φαίνεται στην επισυναπτόμενη εικόνα. Η τοποθέτηση μιας άλλης γραμμής στην πύλη έχει νόημα ενώ συνδέονται με τα JFET, υποδεικνύοντας ότι η πύλη έχει μονωθεί. Η κατεύθυνση βέλους σε αυτό το σύμβολο απεικονίζει τη συμβατική κατεύθυνση ροής ηλεκτρονίων μέσα σε ένα MOSFET, η οποία είναι αντίθετη από αυτήν της τρέχουσας ροής

Βήμα 4: Το MOSFET είναι μια τερματική συσκευή 4;

Ένα άλλο πράγμα που θα ήθελα να προσθέσω είναι ότι οι περισσότεροι άνθρωποι πιστεύουν ότι το MOSFET είναι μια τερματική συσκευή, ενώ στην πραγματικότητα τα MOSFET είναι μια συσκευή τεσσάρων τερματικών. Ο τέταρτος τερματικός σταθμός είναι ο ακροδέκτης του σώματος. Mightσως έχετε δει το σύμβολο που είναι προσαρτημένο για το MOSFET, το κεντρικό τερματικό είναι για το σώμα.

Αλλά γιατί σχεδόν όλα τα MOSFET έχουν μόνο τρία τερματικά που βγαίνουν από αυτό;

Το τερματικό σώματος συνδέεται εσωτερικά με την πηγή, καθώς δεν έχει καμία χρήση στις εφαρμογές αυτών των απλών IC, και μετά από αυτό το σύμβολο γίνεται αυτό που είμαστε εξοικειωμένοι.

Το τερματικό σώματος χρησιμοποιείται γενικά όταν κατασκευάζεται ένα περίπλοκο IC τεχνολογίας CMOS. Λάβετε υπόψη ότι αυτό ισχύει για n κανάλι MOSFET, η εικόνα θα είναι λίγο διαφορετική εάν το MOSFET είναι κανάλι p.

Βήμα 5: Πώς λειτουργεί

Εντάξει, τώρα ας δούμε πώς λειτουργεί.

Ένα διπολικό τρανζίστορ ή ένα BJT είναι μια συσκευή με ελεγχόμενο ρεύμα, που σημαίνει ότι η ποσότητα ροής ρεύματος στο βασικό τερματικό καθορίζει το ρεύμα που θα ρέει μέσω του τρανζίστορ, αλλά γνωρίζουμε ότι δεν υπάρχει ρόλος ρεύματος στο τερματικό πύλης MOSFETs και συλλογικά μπορούμε να πούμε ότι είναι μια συσκευή ελεγχόμενης τάσης όχι επειδή το ρεύμα πύλης είναι πάντα μηδενικό, αλλά λόγω της δομής της, την οποία δεν θα εξηγήσω σε αυτό το Instructable λόγω της πολυπλοκότητάς της.

Ας εξετάσουμε ένα MOSFET καναλιού. Όταν δεν εφαρμόζεται τάση στον ακροδέκτη της πύλης, υπάρχουν δύο δίοδοι πλάτης προς τα πίσω μεταξύ του υποστρώματος και της περιοχής αποστράγγισης και πηγής, προκαλώντας αντίσταση στη διαδρομή μεταξύ αποστράγγισης και πηγής της τάξης των 10 στην ισχύ των 12 ωμ.

Γείωσα την πηγή τώρα και άρχισα να αυξάνω την τάση της πύλης. Όταν επιτευχθεί μια ορισμένη ελάχιστη τάση, η αντίσταση πέφτει και το MOSFET αρχίζει να αγωγώνεται και το ρεύμα αρχίζει να ρέει από την αποστράγγιση στην πηγή. Αυτή η ελάχιστη τάση ονομάζεται τάση κατωφλίου ενός MOSFET και η τρέχουσα ροή οφείλεται στο σχηματισμό ενός καναλιού από την αποστράγγιση στην πηγή στο υπόστρωμα του MOSFET. Όπως υποδηλώνει το όνομα, σε ένα κανάλι MOSFET, το κανάλι αποτελείται από n τύπο φορέων ρεύματος, δηλαδή ηλεκτρόνια, το οποίο είναι αντίθετο από τον τύπο του υποστρώματος.

Βήμα 6: Αλλά…

Μόλις ξεκίνησε εδώ. Η εφαρμογή της τάσης κατωφλίου δεν σημαίνει ότι είστε έτοιμοι να χρησιμοποιήσετε το MOSFET. Αν κοιτάξετε το φύλλο δεδομένων του IRFZ44N, ενός n καναλιού MOSFET, θα δείτε ότι στην τάση κατωφλίου του, μόνο ένα ορισμένο ελάχιστο ρεύμα μπορεί να ρέει μέσα από αυτό. Αυτό είναι καλό αν θέλετε απλώς να χρησιμοποιήσετε μικρότερα φορτία όπως μόνο τα LED, αλλά, ποιο είναι το νόημα τότε. Έτσι, για τη χρήση μεγαλύτερων φορτίων που τραβούν περισσότερο ρεύμα, θα πρέπει να εφαρμόσετε περισσότερη τάση στην πύλη. Η αυξανόμενη τάση πύλης ενισχύει το κανάλι προκαλώντας περισσότερο ρεύμα να ρέει μέσα από αυτό. Για να ενεργοποιήσετε πλήρως το MOSFET, η τάση Vgs, η οποία είναι η τάση μεταξύ πύλης και πηγής πρέπει να είναι κάπου 10 έως 12 Volts, αυτό σημαίνει ότι εάν η πηγή είναι γειωμένη, η πύλη πρέπει να είναι στα 12 Volts περίπου.

Το MOSFET που μόλις συζητήσαμε ονομάζεται MOSFET τύπου ενίσχυσης για τον λόγο ότι το κανάλι βελτιώνεται με την αύξηση της τάσης πύλης. Υπάρχει ένας άλλος τύπος MOSFET που ονομάζεται τύπος εξάντλησης MOSFET. Η κύρια διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι το κανάλι υπάρχει ήδη στον τύπο εξάντλησης MOSFET. Αυτός ο τύπος MOSFET συνήθως δεν είναι διαθέσιμος στις αγορές. Το σύμβολο για τον τύπο εξάντλησης MOSFET είναι διαφορετικό, η σταθερή γραμμή υποδεικνύει ότι το κανάλι είναι ήδη παρόν.

Βήμα 7: Γιατί προγράμματα οδήγησης MOSFET;

Τώρα ας υποθέσουμε ότι χρησιμοποιείτε έναν μικροελεγκτή για τον έλεγχο του MOSFET, τότε μπορείτε να εφαρμόσετε μόνο 5 Volts ή λιγότερο στην πύλη, κάτι που δεν θα είναι αρκετό για υψηλά φορτία ρεύματος.

Αυτό που μπορείτε να κάνετε είναι να χρησιμοποιήσετε ένα πρόγραμμα οδήγησης MOSFET όπως το TC4420, απλά πρέπει να δώσετε ένα λογικό σήμα στις ακίδες εισόδου του και θα φροντίσει για τα υπόλοιπα ή μπορείτε να δημιουργήσετε μόνοι σας ένα πρόγραμμα οδήγησης, αλλά ένα πρόγραμμα οδήγησης MOSFET έχει πολλά περισσότερα πλεονεκτήματα το γεγονός ότι φροντίζει επίσης για πολλά άλλα πράγματα όπως η χωρητικότητα της πύλης κ.λπ.

Όταν το MOSFET είναι εντελώς ενεργοποιημένο, η αντίστασή του συμβολίζεται με Rdson και μπορεί εύκολα να βρεθεί στο φύλλο δεδομένων.

Βήμα 8: Το κανάλι P MOSFET

Ένα κανάλι p MOSFET είναι ακριβώς το αντίθετο από το n κανάλι MOSFET. Το ρεύμα ρέει από την πηγή στην αποστράγγιση και το κανάλι αποτελείται από τύπου p φορείς φορτίου, δηλαδή οπές.

Η πηγή σε ένα κανάλι p MOSFET πρέπει να είναι στο υψηλότερο δυναμικό και για να την ενεργοποιήσετε εντελώς Vgs πρέπει να είναι αρνητική 10 έως 12 Volt

Για παράδειγμα, εάν η πηγή είναι συνδεδεμένη με 12 Volts, η πύλη στα μηδενικά βολτ πρέπει να είναι σε θέση να την ενεργοποιήσει εντελώς και γι 'αυτό λέμε γενικά ότι εφαρμόζουμε 0 Volt στην πύλη ενεργοποιήστε το κανάλι MOSFET ON και λόγω αυτών των απαιτήσεων το πρόγραμμα οδήγησης MOSFET για Το κανάλι n δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί απευθείας με το κανάλι p MOSFET. Τα προγράμματα οδήγησης pOS MOSFET είναι διαθέσιμα στην αγορά (όπως το TC4429) ή μπορείτε απλά να χρησιμοποιήσετε έναν μετατροπέα με το πρόγραμμα οδήγησης nOS MOSFET. Τα MOSFET καναλιού p έχουν σχετικά υψηλότερη αντίσταση ON από τα MOSFET καναλιού, αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι μπορείτε πάντα να χρησιμοποιήσετε ένα MOSFET καναλιού για τυχόν πιθανές εφαρμογές.

Βήμα 9: Αλλά γιατί;

Ας υποθέσουμε ότι πρέπει να χρησιμοποιήσετε το MOSFET στην πρώτη διαμόρφωση. Αυτός ο τύπος μεταγωγής ονομάζεται διακόπτης χαμηλής πλευράς επειδή χρησιμοποιείτε το MOSFET για να συνδέσετε τη συσκευή στη γείωση. Ένα MOSFET καναλιού θα ήταν το πλέον κατάλληλο για αυτή τη δουλειά, καθώς το Vgs δεν ποικίλλει και μπορεί εύκολα να διατηρηθεί στα 12 Volt.

Αλλά αν θέλετε να χρησιμοποιήσετε ένα MOSFET καναλιού για εναλλαγή υψηλής πλευράς, η πηγή μπορεί να βρίσκεται οπουδήποτε μεταξύ γείωσης και Vcc, γεγονός που τελικά θα επηρεάσει την τάση Vgs καθώς η τάση πύλης είναι σταθερή. Αυτό θα έχει τεράστιο αντίκτυπο στην καλή λειτουργία του MOSFET. Επίσης, το MOSFET καίγεται εάν το Vgs υπερβεί την αναφερόμενη μέγιστη τιμή που είναι περίπου 20 Volt κατά μέσο όρο.

Ως εκ τούτου, δεν είναι περίπατο να χρησιμοποιούμε MOSFET καναλιού εδώ, αυτό που κάνουμε είναι να χρησιμοποιούμε MOSFET καναλιού p παρά το γεγονός ότι έχουμε μεγαλύτερη αντίσταση ON, καθώς έχει το πλεονέκτημα ότι το Vgs θα είναι σταθερό καθ 'όλη τη διάρκεια μιας υψηλής αλλαγής πλευράς. Υπάρχουν επίσης άλλες μέθοδοι όπως το bootstrapping, αλλά δεν θα τις καλύψω προς το παρόν.

Βήμα 10: Καμπύλη Id-Vds

Τέλος, ας ρίξουμε μια γρήγορη ματιά σε αυτές τις καμπύλες Id-Vds. Ένα MOSFET λειτούργησε σε τρεις περιοχές, όταν το Vgs είναι μικρότερο από την τάση κατωφλίου, το MOSFET είναι στην περιοχή αποκοπής, δηλαδή είναι απενεργοποιημένο. Εάν το Vgs είναι μεγαλύτερο από την τάση κατωφλίου αλλά μικρότερο από το άθροισμα πτώσης τάσης μεταξύ αποστράγγισης και πηγής και τάσης κατωφλίου, λέγεται ότι είναι στην περιοχή τριάδας ή γραμμική περιοχή. Στην περιοχή επένδυσης, ένα MOSFET μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μεταβλητή αντίσταση τάσης. Εάν το Vgs είναι μεγαλύτερο από το εν λόγω άθροισμα τάσης, τότε το ρεύμα αποστράγγισης γίνεται σταθερό λέγεται ότι λειτουργεί σε περιοχή κορεσμού και για να λειτουργήσει το MOSFET ως διακόπτης θα πρέπει να λειτουργεί σε αυτήν την περιοχή καθώς το μέγιστο ρεύμα μπορεί να περάσει από το MOSFET σε αυτήν την περιοχή.

Βήμα 11: Προτάσεις μερών

n Κανάλι MOSFET: IRFZ44N

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

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

n Πρόγραμμα οδήγησης MOSFET καναλιού: TC4420US -

p Πρόγραμμα οδήγησης MOSFET καναλιού: TC4429

Βήμα 12: Αυτό είναι

Πρέπει τώρα να είστε εξοικειωμένοι με τα βασικά του MOSFET και να είστε σε θέση να αποφασίσετε το τέλειο MOSFET για το έργο σας.

Αλλά ένα ερώτημα παραμένει, πότε πρέπει να χρησιμοποιήσουμε MOSFET; Η απλή απάντηση είναι όταν πρέπει να αλλάξετε μεγαλύτερα φορτία που απαιτούν περισσότερη τάση και ρεύμα. Τα MOSFET έχουν το πλεονέκτημα της ελάχιστης απώλειας ισχύος σε σύγκριση με τα BJT ακόμη και σε υψηλότερα ρεύματα.

Εάν έχασα κάτι, ή κάνω λάθος ή έχετε κάποιες συμβουλές, παρακαλώ σχολιάστε παρακάτω.

Εξετάστε το ενδεχόμενο εγγραφής στο Instructables και στο κανάλι YouTube. Σας ευχαριστούμε που διαβάσατε, τα λέμε στο επόμενο Instructable.

Βήμα 13: Μέρη που χρησιμοποιούνται

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

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

n Πρόγραμμα οδήγησης MOSFET καναλιού: TC4420US -

p Πρόγραμμα οδήγησης MOSFET καναλιού: TC4429