MOSFET-basis: 13 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:18

Hallo! In deze Instructable leer ik je de basis van MOSFET's, en met basis bedoel ik echt basis. Deze video is ideaal voor iemand die MOSFET nog nooit professioneel heeft bestudeerd, maar deze in projecten wil gebruiken. Ik zal het hebben over n- en p-kanaal MOSFET's, hoe ze te gebruiken, hoe ze anders zijn, waarom beide belangrijk zijn, waarom MOSFET-stuurprogramma's en dat soort dingen. Ik zal ook praten over enkele weinig bekende feiten over MOSFET's en nog veel meer.

Laten we erop ingaan.

Stap 1: Bekijk de video

De video's hebben alles in detail behandeld dat nodig is voor het bouwen van dit project. De video heeft enkele animaties die helpen om de feiten snel te begrijpen. Je kunt het bekijken als je de voorkeur geeft aan beelden, maar als je de voorkeur geeft aan tekst, doorloop je de volgende stappen.

Stap 2: De FET

Voordat ik MOSFET's start, wil ik u voorstellen aan zijn voorganger, de JFET of Junction Field Effect Transistor. Het zal het begrijpen van de MOSFET een beetje gemakkelijker maken.

De dwarsdoorsnede van een JFET wordt weergegeven in de afbeelding. De terminals zijn identiek aan de MOSFET-terminals. Het middengedeelte wordt het substraat of lichaam genoemd en het is slechts een n-type of p-type halfgeleider, afhankelijk van het type FET. De gebieden die vervolgens worden gekweekt op het substraat met een ander type dan dat van het substraat, worden gate, drain en source genoemd. Welke spanning u ook toepast, u past deze toe op deze regio's.

Tegenwoordig heeft het vanuit praktisch oogpunt weinig tot geen belang. Verdere uitleg zal ik niet geven, omdat het te technisch wordt en sowieso niet vereist is.

Het symbool van JFET zal ons helpen het symbool van MOSFET te begrijpen.

Stap 3: De MOSFET

Hierna komt de MOSFET, met een groot verschil in de gate-terminal. Voordat de contacten voor de gate-terminal worden gemaakt, wordt een laag siliciumdioxide boven het substraat gegroeid. Dit is de reden waarom het Metallic Oxide Semiconductor Field effect Transistor wordt genoemd. SiO2 is een zeer goed diëlektricum, of je kunt zeggen isolator. Dit verhoogt de poortweerstand in de schaal van tien tot het vermogen van tien ohm en we nemen aan dat in een MOSFET-poortstroom Ig altijd nul is. Dit is de reden waarom het ook wel Insulated Gate Field Effect Transistor (IGFET) wordt genoemd. Een laag van een goede geleider zoals aluminium wordt bovendien boven alle drie de regio's gegroeid en vervolgens worden contacten gemaakt. In het poortgebied kun je zien dat een parallelle plaatcondensatorachtige structuur wordt gevormd en deze introduceert in feite een aanzienlijke capaciteit op de poortaansluiting. Deze capaciteit wordt poortcapaciteit genoemd en kan uw circuit gemakkelijk vernietigen als er geen rekening mee wordt gehouden. Deze zijn ook erg belangrijk tijdens het studeren op professioneel niveau.

Het symbool voor MOSFET's is te zien in de bijgevoegde afbeelding. Het is logisch om nog een lijn op de poort te plaatsen terwijl ze worden gekoppeld aan de JFET's, wat aangeeft dat de poort is geïsoleerd. De richting van de pijl in dit symbool geeft de conventionele richting van de elektronenstroom in een MOSFET weer, die tegengesteld is aan die van de huidige stroom

Stap 4: MOSFET is een apparaat met 4 aansluitingen?

Nog iets dat ik zou willen toevoegen, is dat de meeste mensen denken dat MOSFET een apparaat met drie terminals is, terwijl MOSFET's eigenlijk een apparaat met vier terminals zijn. De vierde terminal is de lichaamsterminal. Je hebt misschien het bijgevoegde symbool voor MOSFET gezien, de middelste terminal is voor het lichaam.

Maar waarom hebben bijna alle MOSFET's slechts drie terminals die eruit komen?

De body-terminal is intern kortgesloten naar de bron omdat het geen zin heeft in de toepassingen van deze eenvoudige IC's, en daarna wordt het symbool het symbool waarmee we vertrouwd zijn.

De body-terminal wordt over het algemeen gebruikt wanneer een gecompliceerd CMOS-technologie-IC wordt gefabriceerd. Houd er rekening mee dat dit het geval is voor een n-kanaals MOSFET, het beeld zal een beetje anders zijn als de MOSFET een p-kanaal is.

Stap 5: Hoe het werkt

Oké, laten we nu eens kijken hoe het werkt.

Een bipolaire junctietransistor of een BJT is een stroomgestuurd apparaat, wat betekent dat de hoeveelheid stroom in de basisterminal de stroom bepaalt die door de transistor zal vloeien, maar we weten dat er geen rol is van stroom in MOSFET's gate-terminal en collectief we kunnen zeggen dat het een spanningsgestuurd apparaat is, niet omdat de poortstroom altijd nul is, maar vanwege de structuur die ik in deze Instructable niet zal uitleggen vanwege de complexiteit ervan.

Laten we eens kijken naar een n Channel MOSFET. Wanneer er geen spanning wordt aangelegd in de gate-aansluiting, bestaan er twee back-to-back diodes tussen het substraat en het drain- en source-gebied, waardoor het pad tussen drain en source een weerstand heeft in de orde van 10 tot het vermogen van 12 ohm.

Ik heb de bron nu geaard en begon de poortspanning te verhogen. Wanneer een bepaalde minimale spanning wordt bereikt, daalt de weerstand en begint de MOSFET te geleiden en begint de stroom van afvoer naar bron te vloeien. Deze minimale spanning wordt drempelspanning van een MOSFET genoemd en de stroom wordt veroorzaakt door de vorming van een kanaal van afvoer naar bron in het substraat van de MOSFET. Zoals de naam al doet vermoeden, bestaat het kanaal in een n Channel MOSFET uit n type stroomdragers, d.w.z. elektronen, wat het tegenovergestelde is van het type substraat.

Stap 6: Maar…

Het is hier pas begonnen. Het toepassen van de drempelspanning betekent niet dat je gewoon klaar bent om de MOSFET te gebruiken. Als je kijkt naar het datablad van IRFZ44N, een n-kanaals MOSFET, zul je zien dat er bij zijn drempelspanning slechts een bepaalde minimale stroom doorheen kan stromen. Dat is goed als je alleen kleinere belastingen zoals alleen LED's wilt gebruiken, maar wat heeft het dan voor zin. Dus voor het gebruik van grotere belastingen die meer stroom trekken, moet u meer spanning op de poort zetten. De toenemende poortspanning verbetert het kanaal waardoor er meer stroom doorheen stroomt. Om de MOSFET volledig in te schakelen, moet de spanning Vgs, de spanning tussen poort en bron, ergens tussen de 10 en 12 volt zijn, dat betekent dat als de bron is geaard, de poort op 12 volt moet staan.

De MOSFET die we zojuist hebben besproken, worden MOSFET's van het verbeteringstype genoemd omdat het kanaal wordt verbeterd met toenemende poortspanning. Er is een ander type MOSFET dat MOSFET van het uitputtingstype wordt genoemd. Het grote verschil zit hem in het feit dat kanaal al aanwezig is in de uitputtingstype MOSFET. Dit type MOSFET's is meestal niet beschikbaar in markten. Het symbool voor depletion type MOSFET is anders, de ononderbroken lijn geeft aan dat het kanaal al aanwezig is.

Stap 7: Waarom MOSFET-stuurprogramma's?

Laten we nu zeggen dat u een microcontroller gebruikt om de MOSFET te besturen, dan kunt u maximaal 5 volt of minder op de poort plaatsen, wat niet genoeg zal zijn voor hoge stroombelastingen.

Wat je kunt doen is een MOSFET-stuurprogramma zoals TC4420 gebruiken, je hoeft alleen maar een logisch signaal te geven aan de ingangspinnen en het zorgt voor de rest of je kunt zelf een stuurprogramma bouwen, maar een MOSFET-stuurprogramma heeft veel meer voordelen in het feit dat het ook voor verschillende andere dingen zorgt, zoals de poortcapaciteit enz.

Wanneer de MOSFET volledig is ingeschakeld, wordt de weerstand aangegeven door Rdson en is deze gemakkelijk te vinden in de datasheet.

Stap 8: De P-kanaal MOSFET

Een p-kanaal MOSFET is precies het tegenovergestelde van de n-kanaal MOSFET. De stroom vloeit van de bron naar de afvoer en het kanaal is opgebouwd uit p-type ladingsdragers, d.w.z. gaten.

De bron in een p-kanaal MOSFET moet op het hoogste potentiaal staan en om deze volledig in te schakelen, moet Vgs min 10 tot 12 volt zijn

Als de bron bijvoorbeeld is gekoppeld aan 12 volt, moet de poort op nul volt deze volledig kunnen inschakelen en daarom zeggen we over het algemeen dat het toepassen van 0 volt op de poort het kanaal MOSFET AAN zet en vanwege deze vereisten de MOSFET-driver voor n-kanaal kan niet rechtstreeks worden gebruikt met p-kanaal MOSFET. De p-kanaal MOSFET-stuurprogramma's zijn op de markt verkrijgbaar (zoals TC4429) of u kunt eenvoudig een omvormer gebruiken met het n-kanaals MOSFET-stuurprogramma. De p-kanaal MOSFET's hebben een relatief hogere AAN-weerstand dan n-kanaal MOSFET's, maar dat betekent niet dat je altijd een n-kanaals MOSFET kunt gebruiken voor alle mogelijke toepassingen.

Stap 9: Maar waarom?

Stel dat u de MOSFET in de eerste configuratie moet gebruiken. Dat type schakelen wordt low-side-switching genoemd omdat u de MOSFET gebruikt om het apparaat met aarde te verbinden. Een n-kanaals MOSFET zou het meest geschikt zijn voor deze taak, aangezien Vgs niet varieert en gemakkelijk op 12 volt kan worden gehouden.

Maar als u een n-kanaals MOSFET wilt gebruiken voor high side-switching, kan de bron zich overal tussen aarde en Vcc bevinden, wat uiteindelijk de spanning Vgs zal beïnvloeden, aangezien de gate-spanning constant is. Dit zal een enorme impact hebben op het goed functioneren van de MOSFET. Ook brandt de MOSFET door als de Vgs de genoemde maximale waarde overschrijdt die gemiddeld rond de 20 Volt ligt.

Daarom is het geen makkie om hier n-kanaal MOSFET's te gebruiken, wat we doen is dat we een p-kanaal MOSFET gebruiken ondanks een grotere AAN-weerstand, omdat dit het voordeel heeft dat Vgs constant zal zijn tijdens een hoge zijschakeling. Er zijn ook andere methoden, zoals bootstrapping, maar die ga ik nu niet behandelen.

Stap 10: Id-Vds-curve

Laten we tot slot eens kijken naar deze Id-Vds-curve. Een MOSFET die in drie regio's wordt gebruikt, wanneer Vgs lager is dan de drempelspanning, bevindt de MOSFET zich in het afgesneden gebied, d.w.z. hij is uitgeschakeld. Als Vgs groter is dan de drempelspanning maar kleiner is dan de som van de spanningsval tussen drain en source en drempelspanning, wordt gezegd dat deze zich in het triode-gebied of het lineaire gebied bevindt. In het voeringgebied kan een MOSFET worden gebruikt als een spanningsvariabele weerstand. Als Vgs groter is dan de genoemde spanningssom, wordt de afvoerstroom constant. Er wordt gezegd dat deze in het verzadigingsgebied werkt en om de MOSFET als een schakelaar te laten werken, moet deze in dit gebied worden bediend, omdat de maximale stroom door de MOSFET kan gaan in deze regio.

Stap 11: Onderdelensuggesties

n Kanaal MOSFET: IRFZ44N

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

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

n Channel MOSFET-stuurprogramma: TC4420US -

p Kanaal MOSFET-stuurprogramma: TC4429

Stap 12: Dat is het

U moet nu bekend zijn met de basisprincipes van MOSFET's en in staat zijn om de perfecte MOSFET voor uw project te kiezen.

Maar een vraag blijft, wanneer moeten we MOSFET's gebruiken? Het simpele antwoord is wanneer je grotere belastingen moet schakelen die meer spanning en stroom vereisen. MOSFET's hebben het voordeel van minimaal vermogensverlies in vergelijking met BJT's, zelfs bij hogere stromen.

Als ik iets heb gemist, of het mis heb, of als je tips hebt, reageer dan hieronder.

Overweeg om je te abonneren op ons Instructables- en YouTube-kanaal. Bedankt voor het lezen, tot ziens in de volgende Instructable.

Stap 13: Gebruikte onderdelen

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

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

n Channel MOSFET-stuurprogramma: TC4420US -

p Kanaal MOSFET-stuurprogramma: TC4429