Οδηγώντας ένα MOSFET.

Όποιος ασχολείται με ηλεκτρονικά ισχύος κάποια στιγμή θα βρεθεί μπροστά σε κάποιο MOSFET. Τότε θα πρέπει να το οδηγήσει. Η οδήγηση του μπορεί να μοιάζει σαν οδήγηση του αυτοκινήτου μας σε μία ομαλή ευθεία. Γρήγορα όμως η ευθεία μπορεί να μετατραπεί σε έναν λασπώδη δρόμο που τα πάντα βουλιάζουν και γίνονται χάλια. Τότε είναι που ευχόμαστε να είχαμε ένα τεράστιο 4×4 ή καλύτερα ένα επιστριοφόρο όχημα.

mud road

Πέρα από τα κυκλώματα που θα δούμε εδώ… Κάντε στον εαυτό σας μια μεγάλη χάρη. Αγοράστε από πριν ένα επιστριοφόρο αν πρόκειται για κάποιο “σοβαρό” κύκλωμα. Υπάρχουν πολλά. Ένα κλασικό είναι το TC426/TC427/TC428 της εταιρίας Microchip. Με μια ματιά στην Digikey για παράδειγμα βλέπουμε πολλά “καλούδια”.

Θα ασχοληθούμε με την οδήγηση N-channel MOSFET σε συνδεσμολογία low-side. Low-side συνδεσμολογία έχουμε όταν ο διακόπτης/MOSFET/BJT βρίσκεται μεταξύ του φορτίου και της γης του κυκλώματος (παρακάτω εικόνα).

low-side

Το πρώτο κύκλωμα που πάει στο μυαλό όλων είναι το παρακάτω. Το κύκλωμα αυτό αναστρέφει την οδήγηση. Όταν στην είσοδο έχουμε τάση η τάση στην πύλη του MOSFET είναι μηδέν (το MOSFET σβηστό), και το αντίστροφο.

circuit-1

Ένα σχεδόν ίδιο κύκλωμα που δεν αναστρέφει την είσοδο είναι το παρακάτω.

circuit-2

Στα δύο παραπάνω κυκλώματα το σβήσιμο του MOSFET γίνεται πάρα πολύ γρήγορα (σχεδόν αμέσως). Όταν το transistor Q1 είναι ενεργοποιημένο “τραβά” την πύλη του MOSFET χαμηλά και αποφορτίζει την χωρητικότητα της πολύ γρήγορα. Έτσι και το γρήγορο σβήσιμο του MOSFET. Όταν όμως το transistor Q1 είναι απενεργοποιημένο η φόρτιση της πύλης γίνεται μέσω των R3 και R1 με αποτέλεσμα να χρειάζεται μεγαλύτερος χρόνος (μερικά usec έως μερικά msec) για να ενεργοποιηθεί το MOSFET. Κατά συνέπεια τα κυκλώματα αυτά δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε κυκλώματα που θέλουμε πολύ γρήγορους (της τάξης μερικών usec) χρόνους εναλλαγής του MOSFET.

Παρακάτω βλέπουμε ακόμη ένα μη αναστρέφων κύκλωμα οδήγησης. Στο κύκλωμα αυτό η ενεργοποίηση του MOSFET είναι άμεση. Όταν ενεργοποιούμε την είσοδο τα transistors Q1, Q2 είναι ενεργοποιημένα και η πύλη του MOSFET φορτίζεται ταχύτατα. Όταν η είσοδος είναι απενεργοποιημένη τα Q1,Q2 είναι απενεργοποιημένα και η εκφόρτιση της πύλης γίνεται μέσω της αντίστασης R2 με αποτέλεσμα μεγαλύτερο χρόνο απενεργοποίησης του MOSFET.

circuit-3

Μπορούμε να συνδυάσουμε τα παραπάνω κυκλώματα και να έχουμε πολύ γρήγορη ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του MOSFET; Πως δεν μπορούμε! Με το παρακάτω κύκλωμα επιτυγχάνουμε πολύ γρήγορους χρόνους ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του MOSFET με αποτέλεσμα να μπορούμε να το χρησιμοποιήσουμε και με μεγαλύτερες συχνότητες λειτουργίας.

circuit-4

Υπάρχουν ακόμη μερικά ποιο απλά κυκλώματα. Το κύκλωμα που ακολουθεί μοιάζει με το τελευταίο που είδαμε. Έχει αφαιρεθεί η πρώτη βαθμίδα και έχουν αλλάξει ρόλο τα transistor. Όπως βλέπουμε το κύκλωμα αυτό δεν αναστρέφει την είσοδο. Παρατηρήστε όμως την τάση στην πύλη του MOSFET. Είναι αρκετά μικρότερη από τα άλλα κυκλώματα. Στην ουσία το κύκλωμα αυτό είναι ακόλουθος εκπομπού. Ονομάζεται έτσι διότι η τάση εξόδου (στον εκπομπό) ακολουθεί την τάση εισόδου (στην βάση) -0,7 volt. Αν έχουν την έξοδο ενός μικροελεγκτή για παράδειγμα που θα έχει τάση 5 volts θα έχουμε τάση στην πύλη του MOSFET 5-0,7=4,3 volts. Μας πειράζει αυτό; Για τα περισσότερα MOSFET ναι. Αν δούμε για παράδειγμα στην τεκμηρίωση του IRFZ44n έχουμε μέγιστη τάση στην πύλη Vgs=±20 volts και Vgs(th)=2~4 volts. Η Vgs είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση στην πύλη, ενώ Vgs(th) είναι η τάση που το MOEFT θα αρχίσει να ενεργοποιείται. Για να ενεργοποιηθεί πλήρως θέλουμε να έχουμε στην πύλη 8~12 volts. Σε άλλη περίπτωση (Vgs<8 volts) το MOSFET θα λειτουργεί στην γραμμική περιοχή του και θα είναι σαν να έχουμε μία εν σειρά αντίσταση με το φορτίο μας. Αποτέλεσμα αυτού είναι να καταναλώνει αρκετή ενέργεια (το MOSFET), να υπερθερμαίνεται και πολλές φορές να καταστρέφεται.

circuit-5

Έχουμε όμως και MOSFET που χρειάζονται μικρότερες τάσεις και ένα κύκλωμα όπως το παραπάνω είναι κατάλληλο. Αυτά είναι τα λεγόμενα logic-level MOSFET. Για παράδειγμα το FQP30N06L που έχει Vgs(th) 1~2,5 volts και 5 volts στην πύλη μπορούν πλήρως να το ενεργοποιήσουν. Γιατί δεν χρησιμοποιούμε τότε logic-level MOSFET. Διότι τα κοινά MOSFET έχουν καλύτερα χαρακτηριστικά (μικρότερη αντίσταση όταν είναι πλήρως ενεργοποιημένα, είναι ποιο γρήγορα κ.α.).

Όλα τα παραπάνω που είδαμε είναι μια συνοπτική περιγραφή. Υπάρχουν ακόμη πολλά πράγματα που δεν μιλήσαμε, πολλές παγίδες που πρέπει να αποφύγουμε.

Advertisements
This entry was posted in Electronics and tagged , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , . Bookmark the permalink.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s