Controlați sarcini mari cu tranzistorul Arduino și MOSFET
Inginerie, calcul și proiectare
Într-o postare anterioară am văzut cum să folosim un tranzistor BJT ca un comutator controlat electric, pentru a alimenta sarcini la niveluri de tensiune și intensitate mult mai mari decât cele pe care le-am putea furniza cu ieșirile digitale sau ieșirile PWM ale Arduino.
În această postare, vedeți cum să obțineți același comportament folosind un tranzistor MOSFET. MOSFET-urile au avantaje în anumite aspecte comparativ cu BJT-urile, dar, pentru ceea ce ne privește în această postare, cel mai mare avantaj este că permiteți-ne să manipulăm sarcini mari.
cu toate acestea Tranzistoarele MOSFET au și ele dezavantajele și particularități, pe care le vom vedea mai târziu. În acest fel, vom afla când este convenabil să folosiți un tranzistor BJT sau un tranzistor MOSFET, sau chiar o combinație a ambelor.
În timpul acestui post vom face referiri constante la tranzistoarele BJT și la funcționarea lor, pe care le vom lua ca bază pentru a explica tranzistoarele MOSFET. Deci, dacă nu sunteți încă familiarizați cu funcționarea acestuia, este un moment bun pentru a revizui intrarea tranzistoarelor BJT.
Un tranzistor MOSFET este un dispozitiv electronic utilizat pe scară largă în electronica modernă. De exemplu, este componenta principală a majorității procesoarelor, unde există milioane de tranzistoare în fiecare integrat.
MOSFET-urile sunt o subfamilie a familiei de tranzistoare FET (tranzistor cu efect de câmp). Există multe alte subfamilii de FET-uri, cum ar fi JFET-uri (tranzistor cu efect de câmp de unire), CMOS și TFT.
La fel ca tranzistoarele BJT, tranzistoarele FET sunt utile în mai multe aplicații. Unele dintre principalele sunt acționează ca un amplificator și acționează ca un comutator controlat electric. În această postare suntem interesați de această ultimă funcție a tranzistorului.
O altă similitudine cu tranzistoarele BJT este că există multe modele de tranzistoare FET, fiecare cu caracteristicile sale. Ele sunt, de asemenea, prezentate într-o mare varietate de sisteme integrate, deci nu este posibil să se distingă la prima vedere caracteristicile unui tranzistor, fiind necesar să se consulte fișa tehnică pentru a-i cunoaște caracteristicile.
La fel ca tranzistoarele BJT un tranzistor FET are trei terminale, deși numele lor sunt diferite de ceea ce găsim în tranzistoarele BJT.
- Poartă, similar cu baza BJT
- Sursă, similar cu emitentul BJT
- Scurgere, similar cu colectorul BJT
De asemenea, similar cu tranzistoarele BJT Tranzistoarele FET au 3 moduri de funcționare, deși zona activă a BJT este înlocuită de zona liniară sau ohmică. (Și nu numai că este o simplă schimbare de nume, de fapt ambele zone prezintă operațiuni foarte diferite)
- curte, tranzistorul se comportă ca un circuit deschis între Sursă și Scurgere
- Saturare, se comportă ca un scurt între Sursă și Scurgere
- Zona liniară, se comportă ca un rezistor cu valoare variabilă
Și în mod similar cu cazul tranzistoarelor BJT, pentru a activa o sarcină, suntem interesați să acționăm FET ca un comutator controlat electric, pentru care vom folosi modurile în modurile de tăiere și saturație, evitând zona liniară.
Cu toate acestea, tranzistoarele FET au diferențe importante față de tranzistoarele BJT. În primul rând, funcționarea sa nu se bazează pe uniunea materialelor semiconductoare, ci în crearea unui canal de conductă între Sursă și Scurgere într-un singur material semiconductor. Lățimea acestui canal este controlată de terminalul Gate.
O altă diferență importantă este că starea unui tranzistor FET este controlată de tensiunea aplicată porții, spre deosebire de BJT-urile a căror stare depindea de curentul care curge prin bază. Prin urmare, FET-urile sunt dispozitive controlate de tensiune, în timp ce BJT-urile sunt dispozitive controlate curent.
Un alt mare avantaj este că în modul de saturație tranzistoarele MOSFET se comportă ca o rezistență de valoare foarte mică, întrucât tranzistoarele BJT au impus întotdeauna o cădere de tensiune. Acest lucru permite tranzistoarelor MOSFET să gestioneze sarcini uriașe cu o disipare redusă a puterii.
Există mai multe diferențe între ambele dispozitive care, deși nu influențează direct această intrare, este convenabil să le revizuim.
MOSFET-urile sunt dispozitive mult mai simetrice decât BJT-urile (comportamentul de la Drain la Source și viceversa este similar). În plus, au o impedanță ridicată față de Poartă (de ordinul a 100MΩ), ceea ce reprezintă un mare avantaj atunci când le combinați pentru a forma circuite digitale.
În general, timpul de comutare este mai rapid decât BJT-urile. De asemenea, generează mai puțin zgomot și sunt mai puțin sensibili la temperatură.
În cele din urmă, tranzistoarele MOSFET sunt mai ușor de fabricat, pe lângă faptul că pot simula comportamentul unei rezistențe cu ele. Acest lucru îi face să fie mari candidați pentru a antrena cipuri și procesoare.
Dacă ne amintim de intrarea tranzistoarelor BJT, un tranzistor BJT se comportă ca un amplificator liniar al curentului din bază (Ib) și al intensității colectorului (Ic), cu un anumit factor hFE, care dă naștere la o serie de modele și calcule.
În cazul MOSFET-urilor, curentul prin canal (Id) are o relație pătratică cu tensiunea dintre Poartă și Sursă (Vgs). Având în vedere această relație pătratică, în loc să punem un model matematic, vă recomandăm consultați graficele Fișei tehnice pentru a determina punctul de operare al tranzistorului.
Cu toate acestea, pentru a putea utiliza și, mai ales, pentru a putea alege corect un model de tranzistor pentru asamblarea noastră, trebuie să înțelegem două aspecte ale funcționării FET-urilor.
Pe de o parte, tranzistorul MOSFET se comportă ca un rezistor variabil între Drain și Source. În zona liniară, valoarea rezistenței depinde de tensiunea Vgs. Trecut de punctul de saturație, rezistența Rds scade drastic (la această valoare a Rds în saturație se numește adesea Rdson)
Pe de altă parte, poarta tranzistorului se comportă ca un condensator. Adică tranzistorul trebuie să absoarbă o anumită cantitate de încărcare electrică (echivalent, de intensitate pentru un anumit timp) pentru a-și schimba modul de lucru.