Regimuri de functionare MOSFET

[keenox]

Salut!

 

In ultima vreme m-am apucat sa mai invat teorie, pentru ca mi-am dat seama ca nu am ramas cu foarte multe dupa liceu/facultate. Am o intrebare in legatura cu tranzistorii MOSFET. Din ce citesc pe net, vad ca toata lumea recomanda sa fie folositi in saturatie.

Daca ne interesam un pic ce inseamna saturatie, gasim conditia ca Vg > Vth si Vds > Vg - Vth, iar din curbele Id/Vds regiunea de saturatie incepe cand curentul ramane constant fata de Vds. Cum toate MOSFET-urile sunt optimizate sa aiba rezistenta in regim pornit foarte mica, rezulta ca Vg ar trebui sa tinda la Vth, deci cat mai mica, dar peste Vth. Interpretez bine?

Ca exemplu am luat datasheet-ul lui 2N7000 (de aici), un MOSFET foarte comun. Din curbele Ids/Vds, daca luam Vgs = 5V (nivel logic), rezulta ca tranzistorul intra in saturatie la un Id ~= 0.65A si Vds = 2.5V, de unde rezulta o disipatie de putere de 1.625W, mult mai mare decat cei 400mW din datasheet.

Situatia asta o vad la mai multe tranzistoare MOSFET. Din ce inteleg si din ce testez in practica e cam imposibil sa intri in saturatie cu un MOSFET fara sa-l prajesti.

Ma lamuriti, va rog, cum e cu saturatia pentru MOSFET-uri?

 

Multumesc!

[UDAR]

Din motive pe care nu le cunosc , termenul de ”saturație” este folosit la MOSFET fix pe dos față de bipolar .  La bipolar , regiunea de saturație înseamnă ambele joncțiuni polarizate direct , tensiune mică   C-E . Tranzistorul este saturat față de Ib , adică creșterea lui Ib nu mai mărește curentul de colector,  acesta fiind determinat de circuitul exterior. 

La MOSFET saturația este definită când se îndeplinesc cele două inegalități  pe care le-ai scris .  Curentul de drenă este saturat față de variația Vds dar Vds nu este mică , ea este de ordinul a câțiva volți sau mai mult.  MOSFET-ul folosit în comutație - când are relevanță valoarea Rds_on - nu este în regim de saturație ci în regim liniar sau ohmic sau triodă. Acest regim este caracterizat de Vg > Vth si Vds < Vg - Vth și curentul de drenă depinde atât de Vgs cât și de Vds. 

În regimul liniar  MOSFET-ul se poate folosi atât ca și comutator ( curentul este limitat de circuitul exterior , comanda se face cu Vgs > Vth iar Vds este foarte mică = Id*Rds_on ; Rds_on scade cu creșterea lui Vgs ) cât și ca amplificator ( curentul nu mai este limitat de circuitul extern ci depinde  de Vgs și Vds , ca la o triodă ) .

În regimul de saturație MOSFET-ul se poate folosi numai ca amplificator , curentul de drenă depinde aproape exclusiv de Vgs - este un amplificator cu impedanță de ieșire mare . Am putea să numim acest regim pentodă dar termenul nu se folosește .

PS Uneori se folosește noțiunea de ultraliniar pentru un subdomeniu al domeniului liniar la care Vds << Vg-Vth . Aici MOSFET-ul  ( ca și JFET-ul ) se comportă ca o rezistență comandată fiind uneori folosit pentru reglajul de nivel deoarece dependența Id față de Vd ( pentru un Vg dat ) este liniară.

Aceasta este de fapt situația și la utilizarea pe post de comutator deși aici liniaritatea Rds nu are mare relevanță, doar valoarea ei cât mai mică contează.

Editat Martie 4, 2015 de UDAR

[keenox]

Mersi de explicatii. Totusi cum se aduce practic un MOSFET in saturatie?Singura metoda viabila pe care o vad este Vgs cat mai mic si Id cat mai mare, dar astainseamna o dispatie de putere mare, Rds on fiind invers proportional cu Vgs si Id fiind mare. Totusi nu vad utilitatea practica.E ceva ce nu inteleg bine?Ma intriga faptul ca am vazut unii indivizi spunand ca este recomandat sa folosesti MOSFET-ul in regim saturatie ca intrerupator, fiind cel mai rapid in acest regim

[UDAR]

Ma intriga faptul ca am vazut unii indivizi spunand ca este recomandat sa folosesti MOSFET-ul in regim saturatie ca intrerupator, fiind cel mai rapid in acest regim

Obișnuința este a doua natură. Cei obișnuiți cu bipolarele tind să spună așa. 

Acum, ON TOPIC. Am spus și mai sus - nu este tocmai corect să vorbim de Rds_on decât în regimul liniar ( sau ultraliniar , dacă vrei ) adică atunci când MOSFET-ul e folosit ca întrerupător - este echivalentul lui Ucesat la bipolar , nici pe ăla nu-l folosim când bipolarul este în în regim de amplificator .

Utilitatea practică ? Păi în mai toate utilizările ca amplificator MOSFET-ul lucrează în acest regim . Vgs este puțin peste Vth ( de la 0 la 2-3V ) iar Vds este de obicei mai mare decât această diferență. 

Celebrul IRFP240 are (tipic) Vth de 3V iar la Vgs=5V ( deci la 2V diferență ) ”trage” peste 20A de la 1V în sus Vds. 

De exemplu, într-o schemă de amplificator de putere uzuală , cu MOSFET complementari , Vds este mai mare ( sau cel puțin egală ) cu Vgs deci , evident, Vds > Vgs-Vth adică avem regim de saturație.

Disipația mare apare pe orice element folosit în regim de amplificator - curentul prin el este egal cu cel prin sarcină iar tensiunea de alimentare se împarte între el și sarcină. Ca să avem amplificare trebuie să putem avea variație a tensiunii pe sarcină . La comutație (aproape) toată tensiunea cade pe sarcină și deci disipația e mică. 

[Marian]

Marturisesc ca si eu eram unul dintre cei care faceam confuzia Mosfet in regim de saturatie=Complet deschis/complet blocat, tot niste postari de-ale lui @UDAR mi-au atras atentia asupra confuziei si de atunci prefer sa ma refer la acest regim ca unul de "comutatie" unde nu pot exista dubii despre cum functioneaza mosfetul.