Мосфеты — это не конфеты.
Мосфеты — разновидность полевых транзисторов, очень полезная штука, если правильно его подобрать, подключить и использовать. Я их люблю применять в поделках. Маломощные в основном для экономичности потребления тока, мощные для коммутации амперных нагрузок и для силовых ключей в ШИМ- схемах и генераторах.
В отличие от простых биполярных транзисторов управляются они не током а напряжением. Управляющий электрод — затвор по сути является одним контактом простого неполярного конденсатора малой емкости.
В логических пятивольтовых схемах очень хорошо применять «логические» мосфеты — транзисторы, которые управляются напрямик с ножек микроконтроллера.
При подборе и выборе мощного мосфета нужно учитывать его основные параметры, это максимальное напряжение на его ножках, сопротивление между входом и выходом в открытом состоянии и напряжение на затворе, достаточное полностью открыть мосфет. Для логических мосфетов это напряжение в основном чуть ниже пяти вольт.
При подключении мощных нагрузок на первый план выступает проходное сопротивление сток — исток в открытом состоянии. Чем больше коммутируемый ток — тем важнее этот праметр. В даташитах этот параметр всегда на первой странице отдельной строкой.
Чем меньше этот параметр, тем меньше тепла будет выделяться мосфетом при работе. Даже небольшое изменение этого параметра приводит к большим разностям в выделении тепла.
Для примера я собрал тестовую схему:
Для замеров я использовал два мультиметра. Напряжение на затвор от нуля до максимума я подавал через проволочный многооборотный резистор СП5-3. Подопытным транзистором был 2SK3918.
Вот таблица замеров:
Данные конечно получились не совсем точные, но для общего сведения пойдет.
Пояснения:
GS — напряжение между затвором и минусом схемы, которое поступает с подстроечного резистора
DS — напряжение падения на транзисторе.
I — ток нагрузки — лампочки.
Далее применив Закон Ома вычислилась мощность W и сопротивление R. Вот это сопротивление и указывается в даташитах. Красным отмечена слишком большая мощность нагрева транзистора — мосфет полностью не открыт.
При использовании в качестве мощных ШИМ-ключей для регулировки яркости светодиодов и ламп нельзя задирать частоту импульсов высоко. Достаточно держать её чуть выше 50 Герц. Например така частота у штатных панелей приборов оптитрон и у штатных ДХО из ламп дальнего света » в пол накала» в тойотах. Если использовать более высокие частоты (килогерцы и выше) затвор мосфета начинает хорошо проводить ток и для раскачки его необходимо усложнять схему или использовать специальные драйверы.
Как показала практика мосфет 2SK3918 спокойно без радиатора в воздухе выдерживает 60-ти ватовую лампочку, оставаясь слегка теплым при напряжении на затворе в пять вольт. При подключении ШИМ генератора со скважностью 30-50% вообще холодный.
Что такое мосфеты
Мосфет ( MOSFET ) — это полупроводниковый полевой транзистор с оксидом металла (metal oxide semiconductor field effect transistor). В мире ПК эти электрические компоненты находятся на материнской плате настольного компьютера или ноутбука, а также на блоке питания.
В этой небольшой статье мы попытаемся разобраться что такое мосфеты (mosfet), а также выясним где они используются.
Мосфеты на материнской плате
На ПК мосфеты образуют VRM (модуль регулятора напряжения), который контролирует, сколько напряжения получают комплектующие на материнской плате, такие как процессор или видеокарта.
П роцессоры и видеокарты, имеют строгое рабочее напряжение, и VRM не допус кает его превышения. Мосфеты важны для работы VRM и влияют на количество тепла, выделяемого VRM во время работы. Мосфеты могут довольно сильно нагреется, если вы используете мощную видеокарту. Р адиатор материнской платы охлаждает мосфеты и, следовательно, VRM. Помимо обеспечения стабильности и безопасности всей системы в целом, охлаждение мосфетов важно для любого разгона.
Как они работают
Мосфеты напоминают выключатели, которые включаются и выключаются по сигналу интегральной микросхемы (ИС), называемой ШИМ-чипом/контроллером. Мосфеты быстро включаются и выключаются, что позволяет пропускать большой ток короткими очередями. Это, наряду с другими частями VRM, управляет напряжением, посылаемым на другие комплектующие.
Для охлаждения мосфетов во время экстремальных разгонов, энтузиасты часто используют водяное охлаждение.
Мосфеты и блоки питания
Мосфеты делают то же самое и в блоках питания. Они используются в преобразователях и цепях регуляторов для коммутации в импульсных источниках питания (SMPS).
В SMPS энергия извлекается из розетки перед ее разбиением на небольшие пакеты, а мосфеты работают переключателями. Затем эти пакеты передаются через конденсаторы, индукторы и другие электрические компоненты, способные накапливать энергию. В конце концов, пакеты сливаются в один для получения стабильного электропитания.
MOSFET транзисторы
На сегодняшний день, среди достаточного количества разновидностей транзисторов выделяют два класса: p-n – переходные транзисторы (биполярные) и транзисторы с изолированным полупроводниковым затвором (полевые).
Другое название, которое можно встретить при описании полевых транзисторов – МОП (металл – окисел – полупроводник). Обусловлено это тем, что в качестве диэлектрического материала в основном используется окись кремния (SiO2).
Еще одно, довольно распространенное название – МДП (металл – диэлектрик – полупроводник).
Немного пояснений. Очень часто можно услышать термины MOSFET, мосфет, MOS-транзистор. Данный термин порой вводит в заблуждение новичков в электронике.
Что же это такое MOSFET ?
MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это не что иное, как обычный МОП-транзистор.
Думаю, теперь понятно, что термины мосфет, MOSFET, MOS, МДП, МОП обозначают одно и тоже, а именно полевой транзистор с изолированным затвором.
Внешний вид одного из широко распространённых мосфетов – IRFZ44N.
Стоит помнить, что наравне с аббревиатурой MOSFET применяется сокращение J-FET (Junction – переход). Транзистор J-FET также является полевым, но управление им осуществляется за счёт применения в нём управляющего p-n перехода. В отличие от MOSFET’а, J-FET имеет немного иную структуру.
Принцип работы полевого транзистора.
Суть работы полевого транзистора заключается в возможности управления протекающим через него током с помощью электрического поля (напряжения). Этим он выгодно отличается от транзисторов биполярного типа, где управление большим выходным током осуществляется с помощью малого входного тока.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором.
Взглянем на упрощённую модель полевого транзистора с изолированным затвором (см. рис.). Поскольку мосфеты бывают с разным типом проводимости (n или p), то на рисунке изображён полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа.
Упрощённая модель полевого транзистора с изолированным затвором
Основу МДП-транзистора составляет:
Подложка из кремния. Подложка может быть как из полупроводника p-типа, так и n-типа. Если подложка p-типа, то в полупроводнике в большей степени присутствуют положительно заряженные атомы в узлах кристаллической решётки кремния. Если подложка имеет тип n, то в полупроводнике в большей степени присутствуют отрицательно заряженные атомы и свободные электроны. В обоих случаях формирование полупроводника p или n типа достигается за счёт введения примесей.
Области полупроводника n+. Данные области сильно обогащены свободными электронами (поэтому «+»), что достигается введением примеси в полупроводник. К данным областям подключаются электроды истока и стока.
Диэлектрик. Он изолирует электрод затвора от кремниевой подложки. Сам диэлектрик выполняют из оксида кремния (SiO2). К поверхности диэлектрика подключен электрод затвора – управляющего электрода.
Теперь в двух словах опишем, как это всё работает.
Если между затвором и истоком приложить напряжение плюсом (+) к выводу затвора, то между металлическим выводом затвора и подложкой образуется поперечное электрическое поле. Оно в свою очередь начинает притягивать к приповерхностному слою у диэлектрика отрицательно заряженные свободные электроны, которые в небольшом количестве рассредоточены в кремниевой подложке.
В результате в приповерхностном слое скапливается достаточно большое количество электронов и формируется так называемый канал – область проводимости. На рисунке канал показан синим цветом. То, что канал типа n – это значит, что он состоит из электронов. Как видим между выводами истока и стока, и собственно, их областями n+ образуется своеобразный «мостик», который проводит электрический ток.
Между истоком и стоком начинает протекать ток. Таким образом, за счёт внешнего управляющего напряжения контролируется проводимость полевого транзистора. Если снять управляющее напряжение с затвора, то проводящий канал в приповерхностном слое исчезнет и транзистор закроется – перестанет пропускать ток. Следует отметить, что на рисунке упрощённой модели показан полевой транзистор с каналом n-типа. Также существуют полевые транзисторы с каналом p-типа.
Показанная модель является сильно упрощённой. В реальности устройство современного MOS-транзистора гораздо сложнее. Но, несмотря на это, упрощённая модель наглядно и просто показывает идею, которая была заложена в его устройство.
Кроме всего прочего полевые транзисторы с изолированным затвором бывают обеднённого и обогащённого типа. На рисунке показан как раз полевой транзистор обогащённого типа – в нём канал «обогащается» электронами. В мосфете обеднённого типа в области канала уже присутствуют электроны, поэтому он пропускает ток уже без управляющего напряжения на затворе. Вольт-амперные характеристики полевых транзисторов обеднённого и обогащённого типа существенно различаются.
О различии MOSFET’ов обогащённого и обеднённого типа можно прочесть тут. Там же показано, как различные МОП-транзисторы обозначаются на принципиальных схемах.
Нетрудно заметить, что электрод затвора и подложка вместе с диэлектриком, который находится между ними, формирует своеобразный электрический конденсатор. Обкладками служат металлический вывод затвора и область подложки, а изолятором между этими электродами – диэлектрик из оксида кремния (SiO2). Поэтому у полевого транзистора есть существенный параметр, который называется ёмкостью затвора.
Об остальных важных параметрах мосфетов я уже рассказывал на страницах сайта.
Полевые транзисторы в отличие от биполярных обладают меньшими собственными шумами на низких частотах. Поэтому их активно применяют в звукоусилительной технике. Так, например, современные микросхемы усилителей мощности низкой частоты для автомобильных CD/MP3-проигрывателей имеют в составе MOSFET’ы. На приборной панели автомобильного ресивера можно встретить надпись «Power MOSFET» или что-то похожее. Так производитель хвастается, давая понять, что он заботится не только о мощности, но и о качестве звука.
Полевой транзистор, в сравнении с транзисторами биполярного типа, обладает более высоким входным сопротивлением, которое может достигать 10 в 9-й степени Ом и более. Эта особенность позволяет рассматривать данные приборы как управляемые потенциалом или по-другому – напряжением. На сегодня это лучший вариант создания схем с достаточно низким потреблением электроэнергии в режиме статического покоя. Данное условие особенно актуально для статических схем памяти имеющих большое количество запоминающих ячеек.
Если говорить о ключевом режиме работы транзисторов, то в данном случае биполярные показывают лучшую производительность, так как падение напряжений на полевых вариантах очень значительно, что снижает общую эффективность работы всей схемы. Несмотря на это, в результате развития технологии изготовления полупроводниковых элементов, удалось избавиться и от этой проблемы. Современные образцы обладают малым сопротивлением канала и прекрасно работают на высоких частотах.
В результате поисков по улучшению характеристик мощных полевых транзисторов был изобретён гибридный электронный прибор – IGBT-транзистор, который представляет собой гибрид полевого и биполярного. Подробнее о IGBT-транзисторе можно прочесть здесь.
Источник https://www.drive2.ru/b/7475/
Источник https://te4h.ru/chto-takoe-mosfety
Источник https://go-radio.ru/mosfet-transistors.html