این  MOSFET ها همانند JFET عمل می کنند اما ترمینال دروازه ای است که از کانال رسانا الکتریکی جدا شده است.

همچنین ترانزیستور میدان مغناطیسی Junction (JFET)، نوع دیگری از ترانزیستور Field Effect وجود دارد که ورودی گیت از طریق کانال انتقال جریان اصلی عایق الکتریکی است و به همین ترتیبترانزیستور اثر میدان الکتریکی است .

شایع ترین نوع FET گازی عایق شده که در بسیاری از انواع مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد، ترانزیستور اثر میدان نیمه هادی فلزی یا MOSFET برای کوتاه بودن نامیده می شود .

IGFET یا ماسفت ولتاژ کنترل ترانزیستور اثر میدانی که از یک JFET در آن است که یک الکترود “اکسید فلزی” دروازه که الکتریکی از نیمه هادی اصلی کانال n یا p کانال توسط یک لایه بسیار نازک از مواد عایق عایق متفاوت است معمولا دی اکسید سیلیکون، معمولا به عنوان شیشه شناخته می شود.

این الکترود الکترود الکتریکی عایق الکتریکی فوق العاده نازک را می توان به عنوان یک صفحه ی یک خازن شناخت. جداسازی دروازه کنترل باعث می شود مقاومت ورودی MOSFET بسیار بالا در منطقه مگا اهم (  ) و به این ترتیب آن را تقریبا بی نهایت.

همانطور که ترمینال دروازه الکتریکی از کانال انتقال جریان اصلی بین تخلیه و منبع جدا شده است، “جریان NO جریان به دروازه” و درست مانند JFET، MOSFET نیز مانند یک مقاومت مقاومت ولتاژ عمل می کند جایی که جریان جریان از طریق کانال اصلی بین تخلیه و منبع متناسب با ولتاژ ورودی است. همچنین مانند JFET، مقاومت ورودی بسیار بالای MOSFET می تواند به راحتی مقدار زیادی از بار استاتیک را جمع آوری کند و در نتیجه MOSFET به راحتی صدمه وارد شود، مگر اینکه با دقت دسترسی یا محافظت شود.

مانند آموزش قبلی JFET، MOSFET ها سه دستگاه ترمینال با دروازه ، تخلیه و منبع و هر دو پانل کانال (PMOS) و N-کانال (NMOS) MOSFET ها در دسترس هستند. تفاوت اصلی این زمان این است که MOSFET ها در دو فرم اساسی موجود هستند:

  • نوع تخریب   – ترانزیستور نیاز به ولتاژ منبع گیت ( GS ) برای تغییر دستگاه “OFF” دارد. حالت تخلیه MOSFET معادل یک سوئیچ Normally Closed است.
  • Type Enhancement   – ترانزیستور نیاز به ولتاژ منبع گیت ( GS ) دارد تا دستگاه را “ON” تغییر دهد. حالت ارتقاء MOSFET معادل یک سوئیچ Normally Open است.

نمادها و ساختار اساسی برای هر دو پیکربندی MOSFET ها در زیر نشان داده شده است.

نماد MOSFET

چهار نماد MOSFET در بالا یک ترمینال اضافی به نام Substrate را نشان می دهد و به طور معمول به عنوان یک ورودی یا یک اتصال خروجی استفاده نمی شود، بلکه به جای آن برای زمین بندی بستر استفاده می شود. آن را به کانال نیمه رسانای اصلی از طریق یک اتصال دیود به زاویه بدن یا فلزی MOSFET متصل می کند.

معمولا در MOSFET های نوع گسسته، این سرب سرب از طریق ترمینال منبع داخلی متصل می شود. هنگامی که این مورد است، همانطور که در انواع ارتقاء از نماد برای روشن شدن حذف شده است.

خط نماد MOSFET بین کانالهای تخلیه (D) و منبع (S) کانال نیمه هادی ترانزیستور را نشان می دهد. اگر این خط کانال خط خطی جامد است، آن را نشان می دهد MOSFET نوع “تخریب” (به طور معمول ON) به عنوان جریان جریان تخلیه می تواند با پتانسیل تعویض صفر صفر جریان.

اگر خط کانال به عنوان یک نقطه خال خال یا خط شکسته نشان داده شده است، آن را نشان می دهد MOSFET نوع “افزایش” (به طور معمول OFF) به عنوان جریان جریانی صفر با پتانسیل گشتاور صفر است. جهت نشان دادن فلش به این خط کانال نشان می دهد که آیا کانال رسانا یک نوع P یا یک نوع نیمه هادی نوع N است.

ساختار و نماد پایه MOSFET

ساخت موشف

ساخت FET نیمه هادی فلزی اکسید فلزی بسیار متفاوت از جنبش FET است. هر کدام از MOSFET های تخریب و افزایش نوع از یک میدان الکتریکی تولید شده توسط یک ولتاژ دروازه برای تغییر جریان حمل بار، الکترون ها برای n کانال یا سوراخ برای کانال P، از طریق منبع کانال منبع تخلیه نیمه هادی استفاده می شود. الکترود دروازه در بالای یک لایه عایق بسیار نازک قرار می گیرد و یک جفت ناحیه کوچک از نوع زیر فقط زیر الکترودهای تخلیه و منبع وجود دارد.

ما در آموزش قبلی مشاهده کردیم که دروازه یک ترانزیستور اثر میدان اتصال، JFET باید به گونه ای تعبیه شود که pn-junction معکوس شود. با یک دستگاه MOSFET دروازه ای عایق، چنین محدودیتی اعمال نمی شود، بنابراین می توان دروازه یک MOSFET را در هر قطب، مثبت ( + ve ) و یا منفی ( -veتعویض کرد .

این باعث می شود که دستگاه MOSFET به ویژه به عنوان سوئیچ های الکترونیکی ارزشمند باشد یا به دروازه های منطقی تبدیل شود چرا که بدون هیچ گونه تعصب آنها معمولا غیر رسانایی می باشند و این مقاومت ورودی به بالا به این معنی است که جریان کنترل بسیار کم و یا هیچ نیازی نیست زیرا MOSFET ها دستگاه های کنترل ولتاژ هستند. هر دو پانل کانال و MOSFET های n کانال در دو فرم اساسی، نوع پیشرفت و نوع تخریب موجود می باشد.

فاز تخلیه حالت MOSFET

MOSFET تخلیه حالت است که کمتر از انواع افزایش حالت به طور معمول بدون استفاده از ولتاژ بایاس دروازه روشن “ON” (انجام). این کانال زمانی انجام می شود که GS  = 0 آن را یک دستگاه “به طور طبیعی” بسته نگه دارد. نماد مدار نشان داده شده در بالا برای یک ترانزیستور MOS تخلیه از خط کانال جامد برای نشان دادن یک کانال رسانا به طور معمول بسته استفاده می کند.

برای ترانزیستور MOS تخلیه n-channel، یک منبع ولتاژ منبع منفی منفی، -V GS موجب تخریب (به این ترتیب نام آن) کانال رسانا از الکترونهای آزاد آن است که ترانزیستور را «OFF» تعویض کند. به همین ترتیب برای یک ترانزیستور MOS تخلیه p کانال یک ولتاژ منبع مثبت گشتاور، + V GS کانال سوراخ های آزاد آن را خنثی می کند و آن را خاموش می کند.

به عبارت دیگر، برای حالت نابودی کانال MOSFET: + V GS به معنی بیشتر الکترون و جریان بیشتر است. در حالی که یک GS -V به معنای الکترون کمتر و جریان کمتر است. مخالف نیز برای انواع p کانال درست است. سپس MOSFET حالت تخلیه معادل یک سوئیچ به طور طبیعی بسته است.

MOSFET کانال N-Channel و نمادها مدار تخلیه حالت

حالت تخلیه MOSFET

سمبل MOSFET حالت تخلیه

MOSFET حالت تخلیه به روش مشابهی به همتایان ترانزیستور JFET ساخته شده است کانال منبع تخلیه ذاتا هدایت الکتریکی و سوراخ هایی است که در کانال n-type یا p-type وجود دارد. این دوپینگ از کانال، یک مسیر هدایت کننده مقاومت کم بین Drain و Source با تغییر صفر دروازه ایجاد می کند.

MOSFET حالت پیشرفته

شایع ترین حالت بهبود MOSFET یا eMOSFET، معکوس نوع حالت تخلیه است. در اینجا کانال هدایت شده به آسانی دوگانه یا حتی غیر فعال می شود و آن را غیر رسانایی می کند. این باعث می شود که دستگاه به طور معمول “OFF” (غیر هدایت) هنگامی که ولتاژ تعویض دروازه، GS برابر صفر است. نماد مدار نشان داده شده در بالا برای ترانزیستور MOS افزایش استفاده از یک خط کانال شکسته به معنای کانال غیر رسانا به طور معمول باز است.

برای ترانزیستور MOS تقویت n کانال، یک جریان تخلیه فقط زمانی جریان می گیرد که ولتاژ دروازه ( GS ) به ترمینال دروازه بیشتر از سطح آستانه ولتاژ ( TH ) که در آن هدایت اتفاق می افتد و آن را یک دستگاه ترانس کوانتمی می کند.

استفاده از یک ولتاژ دروازه مثبت ( + ve ) به n-type eMOSFET الکترونهای بیشتری را نسبت به لایه اکسید اطراف دروازه جذب می کند و به این ترتیب موجب افزایش یا افزایش (به این ترتیب نام آن) ضخامت کانال جریان جریان می شود. به همین دلیل است که این نوع ترانزیستور یک وسیله حالت تقویت نامیده می شود به عنوان کاربرد ولتاژ دروازه کانال را افزایش می دهد.

افزایش این ولتاژ دروازه مثبت باعث کاهش مقاومت کانال می شود و موجب افزایش جریان جریان تخلیه، D از طریق کانال می شود. به عبارت دیگر، برای یک حالت تقویت n کانال MOSFET: + V GSترانزیستور را “ON” می چرخاند، در حالی که یک صفر یا -V GS ترانزیستور را خاموش می کند. بنابراین MOSFET حالت حالت معادل یک سوئیچ “به طور معمول باز” است.

معکوس برای ترانزیستور MOS تقویت p کانال درست است. وقتی GS  = 0 دستگاه خاموش است و کانال باز است. استفاده از یک ولتاژ دروازه منفی ( -ve ) به e-MOSFET p-type موجب هدایت کانال می شود و “ON” را فعال می کند. سپس برای حالت تقویت p کانال MOSFET: + V GS ، ترانزیستور را خاموش می کند، در حالی که -V GS ترانزیستور را “ON” می چرخاند.

MOSFET N-Channel MOSFET و Symbol Circuit حالت بهبود حالت

منحنی MOSFET حالت بهبود

حالت بهبود MOSFET نماد

MOSFET حالت پیشرفته باعث می شود که سوئیچ الکترونیک عالی به علت مقاومت کم “ON” و مقاومت بسیار بالا “OFF” و همچنین مقاومت بی نهایت بالا آنها به دلیل دروازه جدا شده آنها باشد. MOSFET های حالت بهبودی در مدارهای مجتمع برای تولید نوع گیت منطقی و مدارهای سوئیچینگ قدرت به شکل PMOS (P-کانال) و دروازه های NMOS (N-channel) استفاده می شود. CMOS در واقع برای MOS مکمل است، به این معنی که دستگاه منطق هر دو PMOS و NMOS در طراحی آن است.

تقویت کننده MOSFET

درست مانند ترانزیستور قبلی Effect Field Effect، MOSFET ها می توانند برای ساخت مدارهای آمپلی فایر “A” تک مرحله ای با تقویت کننده حالت n- کانال MOSFET مشترک تقویت کننده منبع محبوب ترین مدار استفاده شود. تقویت کننده های MOSFET حالت خنثی سازی بسیار شبیه به تقویت کننده های JFET هستند، به جز اینکه MOSFET دارای امپدانس ورودی بسیار بالاتر است.

این امپدانس ورودی بالا توسط شبکه مقاومت مقاوم در برابر دروازه تشکیل شده توسط R1 و R2 کنترل می شود . همچنین سیگنال خروجی برای حالت تقویت کننده MOSFET منبع تغذیه سوئیچمتناوب است، زیرا هنگامی که G کم است، ترانزیستور خاموش است و D (Vout) بالا است. وقتیG بالا است ترانزیستور روشن “ON” و D (Vout) پایین است به عنوان نشان داده شده است.

تقویت کننده MOSFET N کانال تقویت حالت

تقویت کننده MOSFET

تعویض DC این مدار تقویت کننده MOSFET مشترک (CS) تقریبا با تقویت کننده JFET مشابه است. مدار MOSFET در حالت کلاس A توسط شبکه تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومت R1 و R2 تعصب دارد . مقاومت ورودی AC به IN  = R G  = 1MΩ داده می شود .

ترانزیستورهای میدان نیمه هادی فلزات اکسید سه دستگاه ترمینال فعال هستند که از مواد نیمه هادی مختلف ساخته شده اند که می توانند با استفاده از ولتاژ سیگنال کوچک به عنوان یک عایق یا هادی عمل کنند.

توانایی MOSFET ها برای تغییر بین این دو حالت آن را قادر می سازد که دو عملکرد اساسی: “سوئیچینگ” (الکترونیک دیجیتال) یا “تقویت” (الکترونیک آنالوگ). سپس MOSFET ها قادر به کار در سه منطقه مختلف می باشند:

  • 1. منطقه برش    – با آستانه V GS  <V  ، ولتاژ منبع دروازه بسیار پایین تر از ولتاژ آستانه ترانزیستور است، بنابراین ترانزیستور MOSFET به طور کامل خاموش است، بنابراین D  = 0 ، با ترانزیستور مانند یک سوئیچ باز بدون توجه به ارزش DS .
  • 2. منطقه خطی (Ohmic)    – با GS  > V آستانه  و DS  <V GS ترانزیستور در منطقه مقاومت ثابت خود رفتار به عنوان یک مقاومت ولتاژ کنترل است که مقدار مقاومت آن توسط ولتاژ دروازه، GS تعیین می شود.
  • 3. منطقه اشباع    – با GS  > V آستانه و DS  > V GS ترانزیستور در منطقه کنونی ثابت خود است و بنابراین “کاملا ON”. جریان تخلیه D  = حداکثر با ترانزیستور به عنوان یک سوئیچ بسته عمل می کند.

خلاصه آموزش MOSFET

ترانزیستور میدان اثر نیمه هادی فلزی اکسید فلزی یا MOSFET برای کوتاه مدت دارای مقاومت ورودی بسیار بالایی است و جریان جریان از طریق کانال بین منبع و تخلیه که توسط ولتاژ دروازه کنترل می شود. به دلیل این امپدانس ورودی بالا و به دست آوردن، MOSFET ها می توانند به راحتی توسط برق استاتیک آسیب ببینند، اگر نه با دقت محافظت شده و یا دستکاری شوند.

MOSFET ها ایده آل برای استفاده به عنوان سوئیچ های الکترونیکی یا به عنوان تقویت کننده منبع مشترک هستند زیرا مصرف برق آنها بسیار کوچک است. ترانزیستورهای اثر میدان الکتریکی نیمه هادی فلز در میکروپروسسورها، حافظه ها، ماشین حساب ها و منطق های CMOS Gates و غیره

همچنین توجه کنید که خط نقطه یا شکسته درون نماد یک نوع پیشرفته به طور معمول “OFF” را نشان می دهد که نشان می دهد که جریان “NO” می تواند از طریق کانال جریان یابد، زمانی که ولتاژ منبع ولتاژ منبع GS اعمال شود.

یک خط پیوسته بدون وقفه در داخل نماد، یک نوع تخریب به طور معمول “ON” را نشان می دهد که جریان “CAN” از طریق کانال با ولتاژ دروازه صفر جریان می یابد. برای انواع p-channel، نمادها برای هر دو نوع دقیقا یکسان هستند، به جز اینکه پیکان به سمت خارج است. این را می توان در جدول تعویض زیر خلاصه کرد.

نوع MOSFETGS  = + veGS  = 0GS  = -ve
نابودی کانال Nبربرخاموش
تقویت N کانالبرخاموشخاموش
تخریب کانال Pخاموشبربر
تقویت P-کانالخاموشخاموشبر

بنابراین برای MOSFET نوع ارتقاء نوع n، یک ولتاژ مثبت گشتاور ترانزیستور را روشن می کند و با ولتاژ صفر، ترانزیستور خاموش می شود. برای یک MOSFET نوع تقویت p کانال، یک ولتاژ دروازه منفی به ترمینال “ON” تبدیل می شود و با ولتاژ صفر، ترانزیستور “OFF” خواهد شد. نقطه ولتاژ که MOSFET شروع به عبور جریان از طریق کانال می کند، توسط ولتاژ آستانه TH از دستگاه تعیین می شود.

در آموزش بعدی در مورد ترانزیستورهای Field Effect به جای استفاده از ترانزیستور به عنوان یک دستگاه تقویت کننده، ما در استفاده از ترانزیستور در اشباع و ناحیه های قطع آن، زمانی که به عنوان سوئیچ حالت جامد استفاده می شود، نگاه خواهیم کرد. سوئیچ های ترانزیستور اثر میدان در بسیاری از برنامه های کاربردی برای تغییر یک جریان DC “ON” یا “OFF” مانند LED هایی که فقط در چند ولتاژ کم DC نیاز دارند یا موتورهایی که نیاز به جریان بیشتر در ولتاژ های بالاتر دارند، استفاده می شود.

MOSFET به عنوان سوئیچ

MOSFET باعث می شود که سوئیچ های الکتریکی بسیار خوبی برای کنترل بارها و مدارهای دیجیتالی CMOS به کار گرفته شوند، زیرا آنها بین مناطق قطع و اشباع خود عمل می کنند.

ما قبلا متوجه شدیم که MOSFET (MOSFET) حالت بهبودی N-channel با استفاده از یک ولتاژ ورودی مثبت عمل می کند و دارای مقاومت ورودی بسیار بالا (تقریبا بی نهایت) است که امکان اتصال به تقریبا هر دروازه منطقی یا راننده را فراهم می کند تولید یک خروجی مثبت.

ما همچنین دیدیم که با توجه به این مقاومت بسیار بالا (دروازه) ما می توانیم به راحتی با هم MOSFET های مختلف را همزمان با رسیدن به ظرفیت بارگیری فعلی که ما مورد نیاز است.

در حالی که اتصال موادی مختلف به موازات موازی ما را قادر می سازد تا جریانهای بالا یا بارهای ولتاژ بالا را تغییر دهیم، انجام این کار در هر دو جزء و فضای مدار چاپ گران و غیر عملی می شود. برای غلبه بر این مشکل، ترانزیستورهای اثر ترانزیستور قدرت یا قدرت FET که در آن توسعه یافته است

در حال حاضر می دانیم که دو تفاوت اصلی بین ترانزیستورهای اثر میدان، حالت صرفه جویی تنها برای JFET و حالت بهبود حالت و تخلیه برای MOSFET ها وجود دارد. در این آموزش ما به استفاده ازMOSFET حالت پیشرفت به عنوان سوئیچ نگاه خواهیم کرد زیرا این ترانزیستورها نیاز به یک ولتاژ دروازه مثبت را برای روشن شدن ON و یک ولتاژ صفر برای روشن کردن OFF می برند و آنها را به راحتی به عنوان سوئیچ ها درک می کنند و همچنین با رابط کاربری آسان درگاه های منطقی.

عملیات MOSFET حالت پیشرفته یا e-MOSFET بهتر است با استفاده از منحنی های مشخصه IV نشان داده شده در زیر توصیف شود. هنگامی که ولتاژ ورودی ( IN ) به دروازه ترانزیستور صفر است، MOSFET تقریبا هیچ جریانی ندارد و ولتاژ خروجی ( OUT ) برابر با ولتاژ منبع DD است . پس از آن MOSFET “OFF” در منطقه “cut off” فعال است.

منحنی مشخصات MOSFET

حالت بهبود MOSFET

حداقل ولتاژ ورودی ON-state مورد نیاز برای اطمینان از اینکه MOSFET “ON” در هنگام حمل جریان انتخابی تخلیه باقی می ماند، می تواند از منحنی انتقال VI در بالا تعیین شود. هنگامی که IN ارتفاع یا برابر با DD باشد ، Q نقطه MOSFET حرکت می کند تا نقطه A در طول خط بار حرکت کند .

جریان تخلیه D به دلیل کاهش در مقاومت کانال به حداکثر مقدار خود می رسد. D به مقدار ثابت مستقل از DD تبدیل می شود و تنها به GS وابسته است . بنابراین، ترانزیستور مثل یک سوئیچ بسته عمل می کند، اما کانال ON مقاومت به دلیل مقدار DS (در) به طور کامل به صفر نمی رسد ، اما بسیار کوچک می شود.

به همین ترتیب، هنگامی که IN LOW یا به صفر کاهش می یابد، Q نقطه MOSFET از نقطه A به نقطه B در طول خط بار حرکت می کند. مقاومت کانال بسیار بالا است، بنابراین ترانزیستور مانند یک مدار باز عمل می کند و هیچ جریان از طریق کانال جریان نمی یابد. بنابراین اگر ولتاژ دروازه MOSFET بین دو مقدار تغییر کند، HIGH و LOW MOSFET به عنوان سوئیچ جامد حالت “تک تک بذر” (SPST) عمل می کند و این عمل به صورت زیر تعریف می شود:

1. منطقه قطع

در اینجا شرایط عملیاتی ترانزیستور ولتاژ ورودی صفر ( IN )، جریان صفر تخلیه D و ولتاژ خروجی DS  = V DD است . بنابراین برای یک نوع افزایش MOSFET، کانال رسانا بسته شده و دستگاه خاموش می شود.

ویژگی های برش

سوئیچ MOSFET قطع
  • • ورودی و دروازه زمین (0V)
  • • منبع ولتاژ دروازه کمتر از ولتاژ آستانه GS  <V TH
  • • MOSFET “OFF” (منطقه قطع)
  • • جریان جریان تخلیه ( D  = 0 آمپر )
  • •  OUT  = V DS  = V DD  = “1”
  • • MOSFET به عنوان یک سوئیچ باز عمل می کند

سپس ما می توانیم منطقه برش یا حالت OFF را هنگام استفاده از یک MOSFET الکترونیکی به عنوان یک سوئیچ به عنوان ولتاژ دروازه، GS  <V TH و بنابراین D  = 0 تعریف کنیم . برای یک MOSFET تقویت کانال P، پتانسیل گیت باید نسبت به منبع بیشتر باشد.

2. منطقه اشباع

در محدوده اشباع یا خطی، ترانزیستور باطل خواهد شد تا حداکثر مقدار ولتاژ دروازه به دستگاه اعمال شود که منجر به مقاومت کانال DS می شود (در حال بودن با حداکثر جریان تخلیه جریان از طریق سوئیچ MOSFET. بنابراین برای نوع تقویت MOSFET کانال رسانا باز است و دستگاه روشن “ON” می شود.

خصوصیات اشباع

mostfet اشباع سوئیچ
  • • ورودی و دروازه به DD متصل می شوند
  • • منبع ولتاژ گیت بسیار بیشتر از ولتاژ آستانه GS  > VTH است
  • • MOSFET “ON” (منطقه اشباع)
  • جریان جریان حداکثر تخلیه ( D  = V DD / R L )
  • •  DS  = 0V (اشباع ایده آل)
  • • مقاومت کانال حداقل DS (در)  <0.1Ω
  • •  OUT  = V DS  ≅ 0.2 V به دلیل DS (در)
  • • MOSFET به عنوان مقاومت کم “سوئیچ بسته”

پس ما می توانیم منطقه اشباع و یا “حالت ON” که با استفاده از یک e-MOSFET به عنوان یک سوئیچ به عنوان ولتاژ گیت سورس تعریف، GS  > V TH بنابراین من D  = حداکثر . برای افزایش MOSFET کانال P، پتانسیل گیت باید نسبت به منبع منفی باشد.

با استفاده از یک ولتاژ درایو مناسب به دروازه یک FET، مقاومت کانال منبع تخلیه، DS (در) می تواند از “مقاومت خاموش” صدها هزار kΩ، به طور موثر یک مدار باز، به یک “ON-مقاومت” کمتر از 1Ω، به طور موثر به عنوان یک اتصال کوتاه عمل می کنند.

هنگام استفاده از MOSFET به عنوان یک سوئیچ، ما می توانیم MOSFET را به چرخش «ON» سریعتر یا کندتر یا جریانهای بالا یا پایین منتقل کنیم. این توانایی برای تبدیل MOSFET قدرت “ON” و “OFF” اجازه می دهد تا دستگاه به عنوان یک سوئیچ بسیار کارآمد با سرعت سوئیچینگ بسیار سریع تر از ترانزیستورهای اتصال دوقطبی متصل شود.

یک نمونه از استفاده از MOSFET به عنوان یک سوئیچ

با استفاده از MOSFET به عنوان سوئیچ

در این ترتیب مدار، MOSFET N-channel تقویت حالت برای تغییر یک لامپ ساده «ON» و «OFF» (همچنین می تواند یک LED باشد) مورد استفاده قرار می گیرد.

ولتاژ ورودی ورودی GS به سطح ولتاژ مثبت مناسب برای چرخش دستگاه منتقل می شود و بنابراین لامپ بار “ON” ( GS  = + ve ) یا در ولتاژ صفر است که دستگاه را خاموش می کند ( GS  = 0V )

اگر بار مقاومت در برابر لامپ با یک بار الکتریکی مانند یک سیم پیچ، سلنویید یا رله جایگزین شود، دیود flywheel بایستی به صورت موازی با بار برای محافظت از MOSFET از هر نوع خود بازگشتی ساخته شود.

در بالا نشان داده شده است یک مدار بسیار ساده برای تعویض بار مقاومتی مانند لامپ یا LED. اما هنگام استفاده از MOSFET های قدرت برای تغییر بارهای القایی یا خازنی برخی از انواع حفاظت لازم برای جلوگیری از آسیب دیدن دستگاه MOSFET است. رانندگی بار الکتریکی اثر متفاوتی از رانندگی بار خازنی دارد.

برای مثال یک خازن بدون شارژ الکتریکی، یک اتصال کوتاه است که منجر به افزایش شدید جریان می شود و هنگامی که ولتاژ را از یک بار الکتریکی حذف می کنیم، ولتاژ معکوس را افزایش می دهیم به طوری که میدان مغناطیسی فرو می ریزد و موجب می شود القاء عقب-EMF در سیم پیچ های سلف.

سپس ما می توانیم ویژگی های سوئیچینگ هر MOSFET N-channel و P-channel را در جدول زیر خلاصه کنیم.

نوع MOSFETGS  «0GS  = 0GS  »0
تقویت N کانالخاموشخاموشبر
نابودی کانال Nخاموشبربر
تقویت P کانالبرخاموشخاموش
تخلیه P کانالبربرخاموش

توجه داشته باشید که بر خلاف MOSFET N-channel که پایانه دروازه باید مثبت باشد (جذب الکترون ها) از منبع برای اجازه جریان از طریق کانال، هدایت از طریق MOSFET P کانال به دلیل جریان سوراخ است. این است که ترمینال دروازه MOSFET P کانال باید از منبع منفی منفی تر شود و تنها توقف انجام (cut-off) تا زمانی که دروازه مثبت تر از منبع باشد.

بنابراین برای افزایش قدرت نوع MOSFET به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ آنالوگ عمل می کند، باید بین “منطقه قطع” آن جایی که: GS  = 0V (یا GS  = -ve ) و منطقه اشباع آن “جایی که: GS (در)  = + ve . قدرت تخریب شده در MOSFET ( D ) بستگی به جریان جریان از طریق کانال D در اشباع دارد و همچنین “ON-مقاومت” کانال داده شده به عنوان DS (در) . مثلا.

MOSFET به عنوان یک سوئیچ مثال 1

فرض می کنیم که لامپ در 6V و 24 ولت و به طور کامل “ON” رتبه بندی شده است، MOSFET استاندارد دارای مقاومت کانال (  DS (در)  ) مقدار 0.1ohms است. محاسبه قدرت تخلیه شده در دستگاه سوئیچینگ MOSFET.

جریان جریان از طریق لامپ به صورت زیر محاسبه می شود:

جریان سوئیچ MOSFET

سپس قدرت تخریب شده در MOSFET به صورت زیر خواهد بود:

از بین بردن قدرت سوئیچ MOSFET

شما ممکن است فکر کنید که چقدر خوب است، اما هنگام استفاده از MOSFET به عنوان سوئیچ برای کنترل موتورهای DC یا بارهای الکتریکی با جریانهای پر قدرت، مقاومت کانال “ON” (  DS (در)  ) بین تخلیه و منبع خیلی مهم است. به عنوان مثال، MOSFET هایی که موتورهای DC را کنترل می کنند، هنگامی که موتور برای اولین بار چرخش را شروع می کند، در معرض جریان جاری با شدت بالا قرار می گیرد، زیرا موتورهای شروع جریان فقط با مقاومت کم از سیم پیچ موتورها محدود می شوند.

به عنوان رابطه قدرت اساسی این است: P = I 2 R ، سپس بالا DS (در) مقدار مقاومت کانال به سادگی در مقدار زیادی از قدرت منجر به تلف و به هدر رفته در ماسفت خود و در نتیجه افزایش درجه حرارت بیش از حد، که اگر نه کنترل می تواند موجب شود که MOSFET به علت اضافه بار حرارتی بسیار گرم و آسیب دیده شود.

یک مقدار پایین DS (در) برای مقاومت کانال نیز یک پارامتر مطلوب است زیرا به کاهش ولتاژ اشباع موثر کانال (  DS (sat)  =  D * R DS (در  ) در سراسر MOSFET کمک می کند و بنابراین کار می کند در یک دمای سردتر. قدرت MOSFET ها به طور کلی Ds (در) ارزش کمتر از 0.01Ω است که اجازه می دهد آنها را به اجرا cooler، گسترش عمر عمر خود را.

یکی از محدودیت های اصلی در استفاده از MOSFET به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ، حداکثر جریان تخلیه ای است که می توان آن را مدیریت کرد. بنابراین پارامتر DS (on) یک راهنمای مهم برای کارایی سوئیچینگ MOSFET است و به سادگی به عنوان نسبت DS / I D هنگامی که ترانزیستور روشن “ON” می شود، داده می شود.

هنگام استفاده از یک ترانزیستور MOSFET یا هر نوع ترانزیستور میدان اثر برای آن ماده به عنوان یک دستگاه سوئیچینگ حالت جامد، همیشه توصیه می شود که آن ها دارای مقدار بسیار پایین DS (on)باشند یا حداقل آنها را روی یک حلقه مناسب برای کمک قرار دهید هر فرار حرارتی و آسیب را کاهش دهید. قدرت MOSFET ها به عنوان یک سوئیچ به طور کلی محافظت جریان پر قدرت در طراحی خود ساخته شده است، اما برای برنامه های با کاربرد بالا، ترانزیستور اتصال دو قطبی انتخاب خوبی است.

کنترل قدرت موتور MOSFET

از آنجا که ورودی بسیار بالا یا مقاومت دروازه ای که MOSFET دارد، سرعت بسیار سریع سوئیچینگ آن و سهولت هدایت آنها می تواند آنها را با رابط های اپرهامور یا دروازه های منطقی استاندارد سازگار کند. با این حال، باید اطمینان حاصل شود که ولتاژ ورودی منبع دروازه به درستی انتخاب شده است، زیرا هنگام استفاده از MOSFET به عنوان یک سوئیچ ، دستگاه باید مقاومت کم کانال DS را در مقایسه با این ولتاژ دروازه ورودی بدست آورد.

MOSFET های کم آستانه نوع ممکن است به “ON” تغییر نکنند تا حداقل 3V یا 4V به دروازه اعمال شود و اگر خروجی از دروازه منطق فقط منطق + 5V باشد، ممکن است به طور کامل برای راندن MOSFET به اشباع باشد. با استفاده از MOSFET آستانه پایین تر طراحی شده برای رابط با TTL و دروازه های منطق CMOS که آستانه تا 1.5V تا 2.0V پایین هستند در دسترس هستند.

MOSFET های قدرت را می توان برای کنترل حرکت موتورهای DC یا موتورهای پله بدون برس به طور مستقیم از منطق کامپیوتر و یا با استفاده از کنترل کننده های نوع پالس مدولاسیون عرض (PWM) استفاده می شود. به عنوان یک موتور DC دارای گشتاور بالا شروع می شود و همچنین با جریان فعلی متناسب است، سوئیچ های MOSFET همراه با یک PWM می تواند به عنوان یک کنترل کننده بسیار خوب سرعت عمل کند که باعث حرکت صاف و آرام موتور می شود.

کنترل کننده موتور MOSFET ساده

MOSFET به عنوان سوئیچ

همانطور که بار موتور القایی است، یک دیود چرخ فلوراسیون ساده در طول بار القایی متصل می شود تا هر رله عقب ایجاد شده توسط موتور را از بین ببرد، زمانی که MOSFET آن را خاموش می کند. یک شبکه محصوره که توسط یک دیود زونر به صورت سری با دیود شکل گرفته است، همچنین می تواند برای تعویض سریعتر و کنترل بهتر ولتاژ معکوس و زمان خروج از آن استفاده شود.

برای امنیت بیشتر دیود سیلیکون یا زینر اضافی 1 همچنین می تواند در سراسر کانال یک سوئیچ MOSFET هنگام استفاده از بارهای القایی مانند موتورها، رله ها، solenoid ها و غیره برای سرکوب گذارنده های سوئیچینگ ولتاژ و سر و صدای محافظت اضافی برای سوئیچ MOSFET در صورت لزوم مقاومت GS به عنوان یک مقاومت پایین کشیدن برای کمک به جلوگیری از ولتاژ خروجی TTL تا 0V هنگامی که MOSFET “OFF” روشن می شود.

سوئیچ MOSFET P کانال

تا کنون ما به MOSFET N کانال نگاه کردیم به عنوان یک سوئیچ MOSFET بین بار و زمین قرار گرفته است. این همچنین اجازه می دهد که درایو دروازه MOSFET یا سیگنال سوئیچینگ به زمین (سوئیچینگ کم سمت) ارجاع شود.

سوئیچ MOSF کانال

سوئیچ MOSFET P کانال

اما در برخی از برنامه های کاربردی ما نیاز به استفاده از MOSFET حالت تقویت کانال P را داریم که بار به طور مستقیم به زمین متصل می شود. در این مثال، سوئیچ MOSFET بین بار و رله مثبت (سوئیچینگ بالا سمت راست) همانطور که با ترانزیستورهای PNP ارتباط دارد، متصل می شود.

در دستگاه کانال P جریان جریان متناوب جریان تخلیه در جهت منفی است، بنابراین یک ولتاژ ورودی منفی منفی برای تغییر ترانزیستور «ON» اعمال می شود.

این به دست رسیده است زیرا MOSFET P کانال “با ضخامت” با ترمینال منبع وابسته به منبع مثبت + V DD است . سپس وقتی سوئیچ پایین می رود، MOSFET روشن می شود و هنگامی که سوئیچ بالا می رود، MOSFET خاموش می شود.

این اتصال ناهموار یک حالت تقویت کانال پانل سوئیچ MOSFET ما را قادر می سازد تا آن را به صورت سری با یک تقویت N-channel MOSFET برای تولید یک دستگاه سوئیچینگ مکمل یا CMOS که در یک منبع دوگانه نشان داده شده است، وصل کنیم.

کنترل کننده موتور MOSFET مکمل

سوئیچ MOSFET مکمل

دو MOSFET برای تولید یک سوئیچ دو طرفه از یک منبع دوگانه با موتور متصل شده بین اتصال مشترک تخلیه و مرجع زمین پیکربندی شده است. هنگامی که ورودی LOW باشد، MOSFET P-کانال روشن می شود، زیرا اتصال دروازه ای آن به طور منفی تعصب دارد بنابراین موتور در یک جهت چرخش می یابد. فقط راننده مثبت + V DD برای رانندگی موتور استفاده می شود.

هنگامی که ورودی HIGH باشد، دستگاه P-channel سوئیچ-OFF می شود و دستگاه N کانال سوئیچ-ON می شود، زیرا اتصال دروازه ای آن به طور مثبت بی طرف است. موتور در حال چرخش در جهت مخالف است چرا که ولتاژ ترمینال موتور معکوس شده است، همانطور که در حال حاضر توسط رله عرضه منفی -V DD تامین می شود.

سپس MOSFET P کانال برای جابجایی منبع مثبت به موتور جهت رو به جلو (سوئیچینگ سوئیچ بالا) مورد استفاده قرار می گیرد در حالی که MOSFET N کانال برای جابجایی منبع منفی به موتور جهت جهت معکوس (سوئیچینگ کم سوئیچ) .

انواع تنظیمات برای رانندگی دو MOSFET با بسیاری از برنامه های مختلف وجود دارد. هر دو کانال P و دستگاه N-کانال را می توان با یک IC gate gate اجرا کرد که نشان داده شده است.

با این حال، برای جلوگیری از عبور متقاطع با هر دو MOSFET ها در همان زمان در دو قطبیت عرضه دوگانه انجام می شود، دستگاه های سوئیچینگ سریع نیاز به ارائه برخی تفاوت های زمانی بین آنها را خاموش “OFF” و تبدیل دیگر “ON”. یکی از راه های غلبه بر این مشکل این است که هر دو دروازه های MOSFETS به طور جداگانه رانندگی کنند. این در حالی است که هر دو MOSFETS “OFF” گزینه سوم “STOP” را برای موتور تولید می کنند.

جدول کنترل موتور MOSFET مکمل

MOSFET 1MOSFET 2عملکرد موتور
خاموشخاموشموتور متوقف شده (OFF)
برخاموشموتور چرخش به جلو
خاموشبرموتور چرخش معکوس
بربرمجاز نیست

لطفا توجه داشته باشید مهم است که هیچ ترکیب دیگری از ورودی مجاز در همان زمان وجود نداشته باشد، زیرا ممکن است منبع تغذیه کوتاه شود، زیرا هر دو MOSFETS، FET 1 و FET 2 می توانند با هم «ON» شوند و به این ترتیب: ( fuse = bang!) هشدار داده شود.