MOSFET sebagai Switch - Kapan itu dalam Saturasi?

44

Saya memiliki sirkuit berikut terhubung di papan tempat memotong roti.

masukkan deskripsi gambar di sini

Saya memvariasikan tegangan gerbang menggunakan potensiometer. Inilah yang membingungkan saya: menurut wikipedia, MOSFET berada dalam kejenuhan ketika V (GS)> V (TH) dan V (DS)> V (GS) - V (TH).

Jika saya perlahan-lahan meningkatkan tegangan gerbang mulai dari 0, MOSFET tetap mati. LED mulai mengalirkan sejumlah kecil arus ketika tegangan gerbang sekitar 2,5V atau lebih. Kecerahan berhenti meningkat ketika tegangan gerbang mencapai sekitar 4V. Tidak ada perubahan dalam kecerahan LED ketika tegangan gerbang lebih besar dari 4V. Bahkan jika saya meningkatkan tegangan dengan cepat dari 4 menjadi 12, kecerahan LED tetap tidak berubah.

Saya juga memonitor tegangan Drain to Source saat saya meningkatkan tegangan gate. Saluran keluar ke sumber tegangan turun dari 12V ke dekat 0V ketika tegangan gerbang 4V atau lebih. Ini mudah dimengerti: karena R1 dan R (DS) membentuk pembagi tegangan dan R1 jauh lebih besar dari R (DS), sebagian besar tegangan dijatuhkan pada R1. Dalam pengukuran saya, sekitar 10V dijatuhkan pada R1 dan sisanya pada LED merah (2V).

Namun, karena V (DS) sekarang sekitar 0, kondisi V (DS)> V (GS) - V (TH) tidak puas, apakah MOSFET tidak dalam saturasi? Jika ini masalahnya, bagaimana kita mendesain sirkuit di mana MOSFET berada dalam saturasi?

Perhatikan bahwa: R (DS) untuk IRF840 adalah 0,8 Ohm. V (TH) adalah antara 2V dan 4V. Vcc adalah 12V.



Inilah garis beban yang saya rencanakan dari sirkuit saya.

masukkan deskripsi gambar di sini

Sekarang, dari apa yang saya peroleh dari jawaban di sini adalah bahwa untuk mengoperasikan MOSFET sebagai saklar, titik operasi harus berada di sebelah kiri garis beban. Apakah saya benar dalam pengertian saya?

Dan Jika seseorang memaksakan kurva karakteristik MOSFET, pada grafik di atas, maka titik operasi akan berada di daerah "linear / triode". Infact, saklar harus mencapai wilayah itu secepat mungkin agar dapat bekerja secara efisien. Apakah saya mengerti atau saya salah?

Saad
sumber
4
Ya untuk beroperasi sebagai saklar, MOSFET harus berada di wilayah linear / triode dan ya Anda ingin sampai ke wilayah itu secepat mungkin untuk meminimalkan kehilangan.
mazurnifikasi
Terima kasih banyak. Dan akhirnya, jika seseorang membuat amplifier Kelas A analog dari MOSFET - dia akan beroperasi di wilayah "saturasi"? Titik operasi harus pindah DALAM daerah saturasi pada garis beban?
Saad
1
Ya, itu benar - untuk amplifier Kelas A MOSFET harus beroperasi dalam wilayah saturasi.
mazurnification
Saya pikir komentar mazurnifikasi sebenarnya harus menjadi jawaban yang diterima, karena ringkas dan benar :-)
Jon Watte

Jawaban:

33

Pertama-tama, "saturasi" di MOSFET berarti bahwa perubahan dalam VDS tidak akan menghasilkan perubahan signifikan dalam Id (drain saat ini). Anda dapat berpikir tentang MOSFET dalam saturasi sebagai sumber saat ini. Itu terlepas dari tegangan VDS (dengan batas tentu saja) arus melalui perangkat akan (hampir) konstan.

Sekarang kembali ke pertanyaan:

Menurut wikipedia, MOSFET berada dalam saturasi ketika V (GS)> V (TH) dan V (DS)> V (GS) - V (TH).

Itu betul.

Jika saya perlahan-lahan meningkatkan tegangan gerbang mulai dari 0, MOSFET tetap mati. LED mulai mengalirkan sejumlah kecil arus ketika tegangan gerbang sekitar 2,5V atau lebih.

Anda meningkatkan Vgs di atas Vth dari NMOS sehingga saluran terbentuk dan perangkat mulai melakukan.

Kecerahan berhenti meningkat ketika tegangan gerbang mencapai sekitar 4V. Tidak ada perubahan dalam kecerahan LED ketika tegangan gerbang lebih besar dari 4V. Bahkan jika saya meningkatkan tegangan dengan cepat dari 4 menjadi 12, kecerahan LED tetap tidak berubah.

Anda meningkatkan Vgs membuat perangkat melakukan lebih banyak arus. Pada Vgs = 4V hal yang membatasi jumlah arus bukan lagi transistor tetapi resistor yang Anda miliki secara seri dengan transistor.

Saya juga memonitor tegangan Drain to Source saat saya meningkatkan tegangan gate. Saluran keluar ke sumber tegangan turun dari 12V ke dekat 0V ketika tegangan gerbang 4V atau lebih. Ini mudah dimengerti: karena R1 dan R (DS) membentuk pembagi tegangan dan R1 jauh lebih besar dari R (DS), sebagian besar tegangan dijatuhkan pada R1. Dalam pengukuran saya, sekitar 10V dijatuhkan pada R1 dan sisanya pada LED merah (2V).

Semuanya terlihat teratur di sini.

Namun, karena V (DS) sekarang sekitar 0, kondisi V (DS)> V (GS) - V (TH) tidak puas, apakah MOSFET tidak dalam saturasi?

Tidak, bukan. Itu di wilayah linear atau triode. Berperilaku sebagai resistor di wilayah itu. Artinya, meningkatkan VDS akan meningkatkan Id.

Jika ini masalahnya, bagaimana kita mendesain sirkuit di mana MOSFET berada dalam saturasi?

Anda sudah punya. Anda hanya perlu berhati-hati untuk titik operasi (pastikan bahwa kondisi yang telah Anda sebutkan terpenuhi).

A) Di wilayah linier Anda dapat mengamati hal-hal berikut: -> ketika meningkatkan tegangan SUPPLY, LED akan menjadi lebih terang karena arus melintasi resistor dan transistor akan naik dan dengan demikian lebih banyak akan mengalir melalui LED.

B) Di daerah saturasi sesuatu yang berbeda akan terjadi -> ketika meningkatkan tegangan PASOKAN, kecerahan LED tidak akan berubah. Tegangan ekstra yang Anda terapkan pada SUPPLY tidak akan diterjemahkan ke arus yang lebih besar. Alih-alih akan melintasi MOSFET, sehingga volume DRAIN akan naik bersama dengan tegangan suplai (jadi menambah pasokan dengan 2V akan berarti meningkatkan volume drain hampir 2V)

mazurnifikasi
sumber
Terima kasih banyak atas jawaban lengkap ini. Anda menyatakan bahwa "Anda sudah memilikinya. Anda hanya perlu berhati-hati untuk titik operasi (pastikan bahwa kondisi yang telah Anda sebutkan terpenuhi)." - harap lihat hasil edit saya pada pertanyaan awal. Apakah saya benar dalam pemahaman saya bahwa agar MOSFET berfungsi sebagai sakelar, titik operasi perlu ditempatkan ke arah sisi kiri? Karena normalnya, tegangan suplai tidak bervariasi, ini artinya tegangan gerbang harus setinggi mungkin?
Saad
Ya dan Ya (VGS terbesar yang layak untuk mengurangi Rds_on dan agar perangkat berfungsi sebagai saklar MOSFET harus berada di wilayah linier)
mazurnifikasi
18

Saya menafsirkan arti 'saturasi' dalam konteks artikel Wikipedia sebagai berikut:

Lembar data untuk MOSFET akan menampilkan grafik dengan kurva yang menunjukkan tertentu untuk tertentu pada , biasanya untuk sejumlah nilai .IDVDSVGSVGS

Kurva MOSFET Id vs Vds - dari artikel Wikipedia MOSFET

Dalam contoh ini, garis parabola merah memisahkan apa yang disebut sebagai wilayah 'linier' dari wilayah 'saturasi'. Di wilayah saturasi, garis datar - arus tidak bertambah lagi karena meningkat. Di wilayah linier, saat arus drain meningkat, meningkat - MOSFET bekerja seperti resistor.IDVDSVDS

Dalam situasi Anda, dengan asumsi bagian Anda memiliki kurva yang sama dengan contoh, secara teknis 'tidak', perangkat tidak berada di wilayah saturasi. Yang sedang berkata, Anda sangat rendah sehingga drop sangat kecil dibandingkan dengan resistor seri. Tidak peduli apa naik , drop 'linear' dari MOSFET kecil dibandingkan dengan resistor , dan "tampak" jenuh.IDVDSVGS390Ω

Adam Lawrence
sumber
8

Jawaban lain di sini memberikan penjelasan yang baik tentang istilah "saturasi" sebagaimana diterapkan pada MOSFET.

Saya hanya akan mencatat di sini bahwa penggunaan ini sangat berbeda dari yang dimaksudkan untuk transistor bipolar dan beberapa kelas perangkat lainnya.

Istilah ini digunakan dengan benar untuk MOSFET di mana

  • V (DS)> V (GS) - V (TH)

TETAPI tidak seharusnya begitu.
Tapi itu, jadi waspadalah.

Transistor bipolar (dan BUKAN MOSFET) "dalam saturasi" ketika dihidupkan dengan keras. Kondisi yang setara dalam mode peningkatan MOSFET (jenis yang paling umum) adalah ketika "ditingkatkan sepenuhnya" TETAPI istilah yang tepat untuk ini telah dicuri.


Ditambahkan:

MOSFET "dihidupkan" oleh tegangan yang diterapkan ke gerbang relatif ke sumber = Vgs.
Vgs yang diperlukan di mana FET mulai menyala dan melakukan jumlah arus yang ditentukan dikenal sebagai 'tegangan ambang gerbang' atau hanya 'tegangan ambang batas' dan biasanya ditulis sebagai Vgsth atau Vth atau serupa.
Vth memberikan indikasi berapa banyak tegangan yang akan dibutuhkan untuk mengoperasikan FET sebagai saklar TETAPI sebenarnya Vgs yang ditingkatkan sepenuhnya biasanya beberapa kali Vgsth. Juga, Vgs yang diperlukan untuk peningkatan penuh bervariasi dengan Id yang diinginkan.

Grafik ini, disalin dari jawaban Madmanguruman, menunjukkan bahwa pada Vgs = 7V realdsasi Id / Vds adalah tentang linier hingga sekitar Id = 20A sehingga FET "sepenuhnya ditingkatkan" dan terlihat seperti resistor hingga sekitar titik ini. Untuk FET Vds ini adalah sekitar 1.5V pada sekitar 20A sehingga Rdson adalah tentang R = V / I = 1.5 / 20 = 75 milliOhms.
Untuk FET ini ada kurva pada Vgs = 1V sehingga VGSth = Vth mungkin berada dalam kisaran 0,5V-0,8V pada katakanlah 100 uA.

masukkan deskripsi gambar di sini

masukkan deskripsi gambar di sini

Russell McMahon
sumber
Iya. Itulah yang saya ingat belajar juga. Tapi di sini ada artikel wikipedia. Anda harus menggulir ke bawah ke judul "Saturation atau Active Mode". en.wikipedia.org/wiki/MOSFET Apakah Anda pikir ini salah?
Saad
1
@saad - kebingungannya adalah mereka menggunakan istilah "saturation" yang berarti "wilayah linear". Arti dalam bahasa Inggris saturation menyiratkan menjadi maksimal sehingga penggunaannya buruk dan menyesatkan. MUNGKIN ini penggunaan std, atau tidak, tapi itu tidak baik.
Russell McMahon
Terima kasih. Artikel itu sekarang sangat membingungkan. Apakah Anda akan menjadi raja yang cukup untuk mengarahkan saya ke sebuah buku atau artikel di mana saya dapat mempelajari lebih lanjut tentang MOSFET? Pasti lebih suka menghindari istilah yang membingungkan!
Saad
Fakta bahwa "saturasi berarti sesuatu yang berbeda benar-benar membingungkan. Jadi, apa istilah yang tepat untuk" dihidupkan "untuk MOSFET, dan bagaimana Anda mengetahui tegangan gerbang apa yang diperlukan untuk MOSFET yang diberikan?
Duncan C
3
"Sulit menyala", "Dihidupkan sepenuhnya", dan "Diperbaiki sepenuhnya". Mengapa saya merasa seperti berada dalam iklan perawatan ED yang buruk? "Tingkatkan dirimu hingga potensi penuhmu! Rasakan aliran arus!" :)
Duncan C
4

Yang perlu Anda lakukan untuk melihat saturasi, adalah menyediakan tegangan yang cukup sampai akhirnya kenaikan tegangan tidak membuat perbedaan pada arus.
Untuk melakukan ini, atur Vgs Anda ke nilai statis pada (> Vth), kemudian naikkan tegangan melintasi Vds dan ukur arus. Pada awalnya ia akan naik cukup linear, berada di wilayah ohmik atau linier, tetapi pada akhirnya akan mendatar dan meskipun meningkatkan lebih jauh arus melalui MOSFET akan tetap sama.

Mengenai definisi saturasi, saya memahami saturasi / linier dalam MOSFET berarti kira-kira kebalikan dari apa yang mereka lakukan dalam BJT. Dokumen ini (di bawah karakterisasi MOSFET beberapa halaman di) menunjukkan yang serupa, meskipun selama Anda memahami bagaimana mereka bekerja dan apa yang Anda maksud dengan istilah tersebut, maka Anda harus baik-baik saja (setidaknya sampai Anda mendiskusikan transistor dengan seseorang :-))

Oli Glaser
sumber
2
Apakah itu berarti bahwa MOSFET dalam saturasi bertindak seperti pembatas arus?
Duncan C
memang benar, JFET juga, ada pembatas arus berbasis JFET yang tersedia. EG: 1N5298 en.wikipedia.org/wiki/Constant-current_diode
Jasen
0

B) Di daerah saturasi sesuatu yang berbeda akan terjadi -> ketika meningkatkan tegangan PASOKAN, kecerahan LED tidak akan berubah. Tegangan ekstra yang Anda terapkan pada SUPPLY tidak akan diterjemahkan ke arus yang lebih besar. Alih-alih akan melintasi MOSFET, sehingga volume DRAIN akan naik bersama dengan tegangan suplai (jadi menambah pasokan dengan 2V akan berarti meningkatkan volume drain hampir 2V)

Bagaimana? Meningkatkan pasokan harus meningkatkan V ds hanya dengan Id X Rds (aktif). Mengingat LED akan memiliki penurunan tegangan maju yang hampir sama, maka peningkatan tegangan harus dibagi oleh resistor seri dan perangkat. Karena resistor memiliki nilai yang jauh lebih besar (390 ohm dibandingkan dengan 0,8 ohm perangkat), bagian utama dari penurunan tegangan harus melintasi resistor. Terlebih lagi pasti akan ada peningkatan aliran drain dengan peningkatan resistensi. Kerugian MOSFET dihitung pada kondisi stady saat kuadrat saat ini dikalikan dengan Rds (on). Jadi pengamatan "DRAIN volage akan naik bersama dengan tegangan suplai (jadi menambah pasokan dengan 2V akan berarti meningkatkan volume drain hampir 2V)" tidak benar

Raman
sumber