Lompat ke konten Lompat ke sidebar Lompat ke footer

Transistor MOSFET sebagai Sakelar

MOSFET sebagai Sakelar elektronik yang sangat baik untuk mengendalikan beban dan di rangkaian digital CMOS saat beroperasi di antara daerah cut-off dan saturasi.

Kami telah melihat sebelumnya, bahwa N-channel, Enhancement-mode MOSFET (e-MOSFET) beroperasi menggunakan tegangan input positif dan memiliki resistansi input yang sangat tinggi (hampir tak terbatas) sehingga memungkinkan untuk berinteraksi dengan hampir semua gerbang logika atau penggerak yang mampu menghasilkan output yang positif.

Kami juga melihat bahwa karena resistansi input (Gerbang) yang sangat tinggi ini, kami dapat dengan aman menyejajarkan banyak MOSFET yang berbeda hingga kami mencapai kapasitas penanganan arus yang kami butuhkan.

Sementara menghubungkan bersama berbagai MOSFET secara paralel dapat memungkinkan kita untuk beralih arus tinggi atau beban tegangan tinggi, hal itu menjadi mahal dan tidak praktis baik dalam komponen maupun ruang papan rangkaian. Untuk mengatasi masalah ini, Power Field Effect Transistor atau Power FET dikembangkan. V

Kita sekarang tahu bahwa ada dua perbedaan utama antara transistor FET, mode deplesi (penipisan) hanya untuk JFET dan mode enhancement (peningkatan) dan mode deplesi untuk MOSFET. Dalam tutorial ini kita akan melihat menggunakan MOSFET Enhancement-mode sebagai Sakelar karena transistor ini membutuhkan tegangan gerbang positif untuk menghidupkan "ON" dan tegangan nol untuk mematikan "OFF" sehingga mudah dipahami sebagai Sakelar dan juga mudah untuk berinteraksi dengan Gerbang Logika.

Pengoperasian perangkat enhancement-MOSFET, atau e-MOSFET, dapat digambarkan dengan baik menggunakan kurva karakteristik I-V yang ditunjukkan di bawah ini. Ketika tegangan input, ( VIN ) ke gerbang transistor adalah nol, MOSFET berjalan hampir tidak ada arus dan tegangan output ( VOUT ) sama dengan tegangan supply VDD. Jadi MOSFET adalah "OFF" yang beroperasi di dalam wilayah "cut-off" -nya.

Kurva Karakteristik MOSFET

Transistor MOSFET sebagai Saklar

Tegangan gerbang keadaan-ON minimum yang diperlukan untuk memastikan bahwa MOSFET tetap "ON" saat membawa arus drain yang dipilih dapat ditentukan dari kurva transfer V-I di atas. Ketika VIN adalah TINGGI atau sama dengan VDD, titik-MOSFET bergerak ke titik A di sepanjang garis beban.

Arus Drain ID meningkat ke nilai maksimum karena pengurangan resistansi channel. ID menjadi nilai konstan yang bebas dari VDD, dan hanya bergantung pada VGS. Oleh karena itu, transistor berperilaku seperti sakelar tertutup tetapi channel ON-resistansi tidak mengurangi sepenuhnya ke nol karena nilai RDS(on), tetapi menjadi sangat kecil.

Demikian juga, ketika VIN adalah RENDAH atau dikurangi menjadi nol, titik-MOSFET bergerak dari titik A ke titik B di sepanjang garis beban. Resistansi channel sangat tinggi sehingga transistor bertindak seperti rangkaian terbuka dan tidak ada arus yang mengalir melalui channel. Jadi jika tegangan gerbang MOSFET berganti-ganti antara dua nilai, TINGGI dan RENDAH MOSFET akan berperilaku sebagai sakelar solid state "single-pole single-throw" (SPST) dan tindakan ini didefinisikan sebagai:

1. Wilayah Cut-off

Di sini kondisi operasi dari transistor adalah tegangan gerbang input nol ( VIN ), arus nol drain ID dan tegangan output VDS = VDD. Oleh karena itu untuk tipe eMOSFET channel konduktif ditutup dan perangkat dimatikan "OFF".

Karakteristik Cut-off

Transistor MOSFET sebagai Saklar

• Input dan Gerbang di-ground (0V)
• Tegangan source gerbang kurang dari tegangan ambang batas VGS <VTH
• MOSFET adalah "OFF" (Wilayah Cut-off)
• Tidak ada aliran arus Drain ( ID = 0 Amps )
• VOUT = VDS = VDD = ”1 ″
• MOSFET beroperasi sebagai "sakelar terbuka"

Kemudian kita dapat mendefinisikan daerah cut-off atau "mode OFF" saat menggunakan e-MOSFET sebagai sakelar sebagai, tegangan gerbang, VGS <VTH sehingga ID = 0. Untuk eMOSFET P-channel, potensi Gerbang harus lebih positif sehubungan dengan Source.

2. Wilayah Kejenuhan (saturasi)

Di daerah saturasi atau linier, transistor akan bias sehingga jumlah maksimum tegangan gerbang diterapkan ke perangkat yang menghasilkan resistansi channel RDS ( menjadi sekecil mungkin dengan arus drain maksimum yang mengalir melalui Sakelar MOSFET. Oleh karena itu untuk tipe eMOSFET channel konduktif terbuka dan perangkat diaktifkan "ON".

Karakteristik saturasi

Transistor MOSFET sebagai Saklar

• Input dan Gerbang terhubung ke VDD
• Tegangan Source-Gerbang jauh lebih besar dari tegangan ambang batas VGS > VTH
• MOSFET adalah "ON" (wilayah saturasi)
• Aliran arus Drain Max ( ID = VDD/R L )
• VDS = 0V (saturasi ideal)
• Resistansi channel minimum RDS(on) <0,1Ω
• VOUT = VDS ≅ 0.2V karena RDS(on)
• MOSFET beroperasi sebagai “sakelar tertutup” yang resistansi rendah

Kemudian kita dapat menentukan daerah saturasi atau "mode ON" ketika menggunakan e-MOSFET sebagai sakelar sebagai tegangan Gerbang-Source , VGS > VTH sehingga ID = Maksimum. Untuk eMOSFET P-channel, potensi Gerbang harus lebih negatif terhadap Source.

Dengan menerapkan tegangan penggerak yang sesuai ke gerbang FET, channel resistansi Drain-Source, RDS(on) dapat bervariasi dari “resistansi-OFF” ratusan ribu kΩ, rangkaian terbuka efektif, hingga "resistansi-ON" kurang dari 1Ω, secara efektif bertindak sebagai hubungan pendek.

Saat menggunakan MOSFET sebagai sakelar, kita dapat menggerakkan MOSFET untuk mengaktifkan "ON" lebih cepat atau lebih lambat, atau melewatkan arus tinggi atau rendah. Kemampuan untuk menghidupkan daya MOSFET "ON" dan "OFF" memungkinkan perangkat untuk digunakan sebagai sakelar yang sangat efisien dengan kecepatan beralih yang jauh lebih cepat daripada transistor junction bipolar standar.

Contoh: MOSFET sebagai Sakelar No.1

Transistor MOSFET sebagai Saklar

Dalam pengaturan rangkaian ini, sebuah eMOSFET N-channel digunakan untuk mengganti lampu sederhana "ON" dan "OFF" (bisa juga berupa LED).

Tegangan input gerbang-source VGS dibawa ke level tegangan positif yang sesuai untuk menghidupkan perangkat dan oleh karena itu beban lampu "ON", ( VGS = + ve ) atau pada level tegangan nol yang mengubah perangkat "OFF", ( VGS = 0V ).

Jika beban resistif lampu harus diganti dengan beban induktif seperti kumparan (coil), solenoida atau relai sebuah "dioda freewheeling" akan diperlukan secara paralel dengan beban untuk melindungi MOSFET dari setiap ggl-balik yang dihasilkan sendiri.

Di atas menunjukkan rangkaian yang sangat sederhana untuk mengalihkan beban resistif seperti lampu atau LED. Tetapi ketika menggunakan daya MOSFET untuk mengalihkan muatan induktif atau kapasitif, beberapa bentuk perlindungan diperlukan untuk mencegah perangkat MOSFET dari kerusakan. Penggerak beban induktif memiliki efek sebaliknya dari menggerakkan muatan kapasitif.

Sebagai contoh, sebuah kapasitor tanpa muatan listrik adalah korsleting, yang mengakibatkan “lonjakan” arus yang tinggi dan ketika kita melepas tegangan dari beban induktif kita memiliki tegangan balik yang besar terbentuk ketika medan magnet runtuh, menghasilkan ggl-balik diinduksi di gulungan induktor.

Kemudian kita dapat meringkas karakteristik Sakelar (beralih) dari MOSFET tipe N-channel dan P-channel dalam tabel berikut.

Perhatikan bahwa tidak seperti MOSFET N-channel yang terminal gerbangnya harus dibuat lebih positif (menarik elektron) daripada Sourcenya untuk memungkinkan arus mengalir melalui channel, konduksi melalui MOSFET P-channel adalah karena aliran lubang. Itu adalah terminal gerbang MOSFET P-channel harus dibuat lebih negatif daripada Source dan hanya akan berhenti melakukan (cut-off) sampai gerbang lebih positif daripada Source.

Jadi untuk daya eMOSFET untuk beroperasi sebagai perangkat Sakelar analog, itu perlu beralih antara "Wilayah Cut-off" di mana: VGS = 0V (atau VGS = -ve ) dan Daerah Saturasi di mana: VGS(on) = + ve. Daya yang dihamburkan dalam MOSFET ( PD ) tergantung pada arus yang mengalir melalui channel ID pada saturasi dan juga "resistansi-ON" dari channel yang diberikan sebagai RDS(on). Sebagai contoh.

Contoh: MOSFET sebagai Sakelar No.2

Mari kita asumsikan bahwa lampu diberi nilai 6v, 24W dan sepenuhnya "ON", MOSFET standar memiliki nilai on-resistance ( RDS(on) ) channel sebesar 0,1ohms. Hitung daya yang dihabiskan di perangkat Sakelar MOSFET.

Arus yang mengalir melalui lampu dihitung sebagai:
Transistor MOSFET sebagai Saklar

Maka daya yang dihamburkan dalam MOSFET akan diberikan sebagai:
P = I2R
PD =I2D x RDS
∴ PD = 42 x 0.1 = 1.6 watt

Anda mungkin duduk di sana berpikir, baik jadi apa!, tetapi ketika menggunakan MOSFET sebagai sakelar untuk mengontrol motor DC atau beban listrik dengan arus lonjakan tinggi resistansi channel "ON" ( RDS(on) ) antara channel dan Source sangat penting. Sebagai contoh, MOSFET yang mengendalikan motor DC, mengalami arus lonjakan yang tinggi ketika motor pertama kali mulai berputar, karena motor yang memulai arus hanya dibatasi oleh nilai resistansi yang sangat rendah dari gulungan motor.

Karena hubungan kekuatan dasarnya adalah: P = I2R, maka nilai resistansi channel RDS(on) yang tinggi hanya akan menghasilkan sejumlah besar daya yang dihamburkan dan terbuang dalam MOSFET itu sendiri yang mengakibatkan kenaikan suhu yang berlebihan, yang jika tidak Terkendali dapat menyebabkan MOSFET menjadi sangat panas dan rusak karena kelebihan panas.

Nilai RDS(on) yang lebih rendah untuk resistansi channel juga merupakan parameter yang diinginkan karena membantu mengurangi tegangan saturasi efektif channel ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) di seluruh MOSFET dan karenanya akan beroperasi pada suhu yang lebih dingin. Power MOSFET umumnya memiliki nilai RDS(on) kurang dari 0.01 yang memungkinkan mereka berjalan lebih dingin, memperpanjang masa hidup operasionalnya.

Salah satu batasan utama saat menggunakan MOSFET sebagai perangkat Sakelar adalah arus drain maksimum yang dapat ditanganinya. Jadi parameter RDS(on) adalah panduan penting untuk efisiensi Sakelar MOSFET dan hanya diberikan sebagai rasio VDS/ID ketika transistor diaktifkan "ON".

Saat menggunakan MOSFET atau jenis transistor FET apa pun dalam hal ini sebagai perangkat Sakelar solid-state, selalu disarankan untuk memilih yang memiliki nilai RDS(on) yang sangat rendah atau paling tidak memasangkannya ke heatsink yang sesuai untuk membantu mengurangi pelarian panas dan kerusakan. Power MOSFET yang digunakan sebagai Sakelar umumnya memiliki perlindungan arus-lonjakan yang dibangun ke dalam desain mereka, tetapi untuk aplikasi arus tinggi, transistor junction bipolar adalah pilihan yang lebih baik.

Kontrol Daya/Power MOSFET Motor

Karena input yang sangat tinggi atau resistansi gerbang yang dimiliki MOSFET, kecepatan Sakelar yang sangat cepat dan kemudahan di mana mereka dapat didorong membuatnya ideal untuk berinteraksi dengan Op-amp atau gerbang logika standar. Namun, harus hati-hati untuk memastikan bahwa tegangan input Source gerbang dipilih dengan benar karena ketika menggunakan MOSFET sebagai Sakelar, perangkat harus mendapatkan resistansi channel RDS(on) yang rendah sebanding dengan tegangan gerbang input ini.

Jenis MOSFET daya ambang batas rendah tidak dapat beralih "ON" sampai setidaknya 3V atau 4V telah diterapkan ke gerbangnya dan jika output dari gerbang logika hanya +5 V logika mungkin tidak cukup untuk sepenuhnya mendorong MOSFET ke saturasi. Menggunakan MOSFET ambang batas bawah yang dirancang untuk berinteraksi dengan gerbang logika TTL dan CMOS yang memiliki ambang batas serendah 1.5V hingga 2.0V.

Power MOSFET dapat digunakan untuk mengontrol pergerakan Motor DC atau Motor Stepper Brushless langsung dari logika komputer atau dengan menggunakan pengontrol tipe pulse-width modulation (PWM). Karena motor DC menawarkan torsi awal yang tinggi dan yang juga sebanding dengan arus jangkar, Sakelar MOSFET bersama dengan PWM dapat digunakan sebagai pengontrol kecepatan yang sangat baik yang akan memberikan operasi motor yang halus dan tenang.

Pengontrol Motor MOSFET Daya Sederhana

Transistor MOSFET sebagai Saklar

Karena beban motor bersifat induktif, dioda flywheel (roda-gila) sederhana dihubungkan melintasi beban induktif untuk menghilangkan semua ggl-balik yang dihasilkan oleh motor ketika MOSFET mengubahnya "OFF". Jaringan penjepit yang dibentuk oleh Dioda Zener secara seri dengan dioda juga dapat digunakan untuk memungkinkan pergantian yang lebih cepat dan kontrol yang lebih baik dari tegangan balik puncak dan waktu putus.

Untuk keamanan menambahkan silikon atau Dioda Zener tambahan D1 juga dapat ditempatkan di channel sakelar MOSFET saat menggunakan beban induktif, seperti Motor, Relai, Solenoida, dll, untuk menekan tegangan lebih beralih transien dan kebisingan memberikan perlindungan ekstra kepada Sakelar MOSFET jika perlu. Resistor RGS digunakan sebagai resistor pull-down untuk membantu menarik tegangan output TTL ke 0V ketika MOSFET dimatikan "OFF".

Sakelar MOSFET P-channel

Sejauh ini kita telah melihat MOSFET N-channel sebagai Sakelar dimana MOSFET ditempatkan di antara beban dan ground. Ini juga memungkinkan penggerak gerbang MOSFET atau sinyal Sakelar dirujuk ke ground (Sakelar/beralih sisi rendah).

Transistor MOSFET sebagai Saklar

Tetapi dalam beberapa aplikasi kami memerlukan penggunaan eMOSFET P-channel jika beban terhubung langsung ke ground. Dalam hal ini Sakelar MOSFET terhubung antara beban dan rel supply positif (perpindahan sisi-tinggi) seperti yang kita lakukan dengan transistor PNP.

Dalam perangkat P-channel, aliran konvensional untuk mengalirkan arus adalah dalam arah negatif sehingga tegangan Source-Gerbang negatif diterapkan untuk mengganti transistor “ON”.

Ini dicapai karena MOSFET P-channel “terbalik” dengan terminal Sourcenya terikat dengan catu positif +VDD. Kemudian ketika Sakelar menjadi RENDAH, MOSFET menyalakan "ON" dan saat Sakelar TINGGI MOSFET mengubah "OFF".

Koneksi terbalik dari Sakelar eMOSFET mode P-channel memungkinkan kita untuk menghubungkannya secara seri dengan eMOSFET mode N-channel untuk menghasilkan perangkat Sakelar CMOS komplementer atau tambahan seperti yang ditunjukkan pada dua pasokan.

Pengendali Motor MOSFET Komplementer (pelengkap)

Transistor MOSFET sebagai Saklar

Kedua MOSFET dikonfigurasikan untuk menghasilkan Sakelar dua arah dari supply ganda dengan motor yang terhubung antara koneksi channel Common-Drain dan referensi Ground. Ketika inputnya RENDAH MOSFET P-channel dinyalakan-ON karena persimpangan (junction) Gerbang-Source bias negatif sehingga motor berputar dalam satu arah. Hanya rel supply positif +VDD yang digunakan untuk menggerakkan motor.

Ketika input TINGGI, perangkat P-channel Sakelar-OFF dan perangkat N-channel Sakelar-ON sebagai persimpangan Gerbang-Source bias positif. Motor sekarang berputar ke arah yang berlawanan karena tegangan terminal motor telah terbalik karena sekarang di supply oleh rel supply negatif -VDD.

Kemudian MOSFET P-channel digunakan untuk mengalihkan supply positif ke motor untuk arah maju (Sakelar sisi-tinggi) sedangkan MOSFET N-channel digunakan untuk mengalihkan supply negatif ke motor untuk arah terbalik (Sakelar sisi rendah).

Ada berbagai konfigurasi untuk menggerakkan kedua MOSFET dengan banyak aplikasi berbeda. Baik perangkat P-channel dan N-channel dapat digerakkan oleh IC penggerak gerbang tunggal seperti yang ditunjukkan.

Namun, untuk menghindari konduksi silang dengan kedua MOSFET berjalan pada saat yang sama melintasi dua polaritas dari supply ganda, perangkat pengalihan cepat diperlukan untuk memberikan beberapa perbedaan waktu antara mereka mematikan "OFF" dan yang lainnya "ON". Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggerakkan kedua gerbang MOSFET secara terpisah. Ini kemudian menghasilkan opsi ketiga "STOP" ke motor ketika kedua MOSFET adalah "OFF".

Tabel Kontrol Motor MOSFET Komplementer (pelengkap)

MOSFET 1
MOSFET 2
Fungsi Motor
OFF
OFF
Motor Berhenti (OFF)
ON
OFF
Motor Berputar Maju
OFF
ON
Motor Berputar Mundur
ON
ON
TIDAK DIIZINKAN
Harap dicatat bahwa tidak ada kombinasi input yang diperbolehkan pada saat yang sama karena hal ini dapat menyebabkan catu daya menjadi korsleting, karena kedua MOSFET, FET1 dan FET2 dapat diaktifkan "ON" bersama-sama menghasilkan: ( fuse = bang!), diperingatkan.