MOSFET jako przełącznik - kiedy jest w nasyceniu?

Mam następujący obwód podłączony do płyty chlebowej.

Zmieniam napięcie bramki za pomocą potencjometru. Oto, co mnie myli: według wikipedii MOSFET jest nasycony, gdy V (GS)> V (TH) i V (DS)> V (GS) - V (TH).

Jeśli powoli zwiększę napięcie bramki, zaczynając od 0, MOSFET pozostanie wyłączony. Dioda LED zaczyna przewodzić niewielką ilość prądu, gdy napięcie bramki wynosi około 2,5 V. Jasność przestaje rosnąć, gdy napięcie bramki osiągnie około 4 V. Nie zmienia się jasność diody LED, gdy napięcie bramki jest większe niż 4 V. Nawet jeśli szybko zwiększę napięcie z 4 do 12, jasność diody LED pozostaje niezmieniona.

Monitoruję również napięcie Drain to Source, podczas gdy zwiększam napięcie bramki. Napięcie dren-źródło spada z 12 V do blisko 0 V, gdy napięcie bramki wynosi około 4 V. Łatwo to zrozumieć: ponieważ R1 i R (DS) tworzą dzielnik napięcia, a R1 jest znacznie większy niż R (DS), większość napięcia spada na R1. W moich pomiarach około 10 V spada na R1, a reszta na czerwonej diodzie LED (2 V).

Jednak ponieważ V (DS) wynosi teraz w przybliżeniu 0, warunek V (DS)> V (GS) - V (TH) nie jest spełniony, czy MOSFET nie jest nasycony? Jeśli tak, to jak zaprojektować obwód, w którym MOSFET jest nasycony?

Należy pamiętać, że: R ​​(DS) dla IRF840 wynosi 0,8 oma. V (TH) wynosi między 2 V a 4 V. Vcc wynosi 12 V.

Oto linia obciążenia, którą narysowałem w moim obwodzie.

Teraz, z tego, co uzyskałem z odpowiedzi tutaj, jest to, że aby obsługiwać MOSFET jako przełącznik, punkt pracy powinien znajdować się po lewej stronie linii obciążenia. Czy mam rację w moim rozumieniu?

A jeśli narzuci się charakterystyczne krzywe MOSFET, na powyższym wykresie, wówczas punkt pracy znajdzie się w tak zwanym regionie „liniowym / triodowym”. Rzeczywiście, przełącznik powinien dotrzeć do tego regionu tak szybko, jak to możliwe, aby działać wydajnie. Czy rozumiem, czy całkowicie się mylę?

Przede wszystkim „nasycenie” w mosfetach oznacza, że ​​zmiana VDS nie spowoduje znaczącej zmiany Id (prądu drenującego). Możesz myśleć o MOSFET w nasyceniu jako o bieżącym źródle. Oznacza to, że niezależnie od napięcia na VDS (z ograniczeniami oczywiście) prąd przez urządzenie będzie (prawie) stały.

Teraz wracając do pytania:

Według Wikipedii MOSFET jest nasycony, gdy V (GS)> V (TH) i V (DS)> V (GS) - V (TH).

To jest poprawne.

Jeśli powoli zwiększę napięcie bramki, zaczynając od 0, MOSFET pozostanie wyłączony. Dioda LED zaczyna przewodzić niewielką ilość prądu, gdy napięcie bramki wynosi około 2,5 V.

Zwiększyłeś Vg powyżej Vth NMOS, więc kanał został utworzony i urządzenie zaczęło prowadzić.

Jasność przestaje rosnąć, gdy napięcie bramki osiągnie około 4 V. Nie zmienia się jasność diody LED, gdy napięcie bramki jest większe niż 4 V. Nawet jeśli szybko zwiększę napięcie z 4 do 12, jasność diody LED pozostaje niezmieniona.

Zwiększyłeś Vg, dzięki czemu urządzenie przewodzi więcej prądu. Przy Vgs = 4V ograniczeniem prądu nie jest już tranzystor, ale rezystor, który masz szeregowo z tranzystorem.

Monitoruję również napięcie Drain to Source, podczas gdy zwiększam napięcie bramki. Napięcie dren-źródło spada z 12 V do blisko 0 V, gdy napięcie bramki wynosi około 4 V. Łatwo to zrozumieć: ponieważ R1 i R (DS) tworzą dzielnik napięcia, a R1 jest znacznie większy niż R (DS), większość napięcia spada na R1. W moich pomiarach około 10 V spada na R1, a reszta na czerwonej diodzie LED (2 V).

Wszystko wygląda tutaj w porządku.

Jednak ponieważ V (DS) wynosi teraz w przybliżeniu 0, warunek V (DS)> V (GS) - V (TH) nie jest spełniony, czy MOSFET nie jest nasycony?

Nie, nie jest. Jest w obszarze liniowym lub triodowym. W tym regionie zachowuje się jak rezystor. To zwiększa Vds zwiększy Id.

Jeśli tak, to jak zaprojektować obwód, w którym MOSFET jest nasycony?

Już masz. Musisz tylko zadbać o punkt operacyjny (upewnij się, że warunki, o których wspomniałeś, są spełnione).

A) W obszarze liniowym można zaobserwować: -> podczas zwiększania napięcia ZASILANIA, dioda LED stanie się jaśniejsza w miarę wzrostu prądu na rezystorze i tranzystorze, a zatem więcej będzie przepływać przez diodę LED.

B) W obszarze nasycenia stanie się coś innego -> przy wzroście napięcia ZASILANIA jasność diody LED nie zmieni się. Dodatkowe napięcie przykładane do DOSTAWY nie przełoży się na większy prąd. Zamiast tego będzie dotyczył MOSFETU, więc napięcie DRAIN wzrośnie wraz z napięciem zasilania (więc zwiększenie zasilania o 2 V będzie oznaczało zwiększenie napięcia drenażu o prawie 2 V)

Znaczenie „nasycenia” interpretuję w kontekście artykułu z Wikipedii w następujący sposób:

Arkusz danych dla MOSFET pokaże wykres z krzywymi pokazującymi konkretny dla konkretnego przy konkretnym , zwykle dla wielu różnych wartości .V D S V G S V G $I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

W tym przykładzie czerwona linia paraboliczna oddziela tak zwany region „liniowy” od regionu „nasycenia”. W obszarze nasycenia linie są płaskie - prąd nie rośnie już wraz ze wzrostem . W obszarze liniowym wraz ze wzrostem prądu drenu rośnie - MOSFET działa jak opornik.V D S V D $I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

W twojej sytuacji, zakładając, że twoja część ma podobne krzywe jak w przykładzie, technicznie „nie”, urządzenie nie znajduje się w obszarze nasycenia. To powiedziawszy, twój jest tak niski, że spadek jest niewielki w porównaniu do rezystora szeregowego. Bez względu na to, do czego wznosi się , „liniowy” spadek MOSFET-u jest niewielki w porównaniu z opornikiem i „wygląda” na nasycony.V D S V G S 390 $I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Inne odpowiedzi tutaj dają dobre wyjaśnienie terminu „nasycenie” w odniesieniu do tranzystorów MOSFET.

Zwrócę tutaj uwagę, że to użycie jest bardzo różne od tego, co jest przeznaczone dla tranzystorów bipolarnych i niektórych innych klas urządzeń.

Termin jest poprawnie używany dla MOSFET-ów, gdzie

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

ALE to nigdy nie powinno być.
Ale tak jest, więc bądź tego świadomy.

Tranzystor bipolarny (a NIE MOSFET) jest „nasycony”, gdy jest mocno włączony. Równoważny warunek w trybie ulepszenia MOSFET (najbardziej powszechny) jest wtedy, gdy jest „w pełni ulepszony”, ALE odpowiedni termin na to został już skradziony.

Dodany:

MOSFET jest „włączany” przez napięcie przyłożone do bramki względem źródła = Vgs.
Wymagane Vg, w których FET zaczyna się włączać i przewodzi określoną ilość prądu, jest znane jako „napięcie progowe bramki” lub po prostu „napięcie progowe” i jest zwykle zapisywane jako Vgsth lub Vth lub podobne.
Vth wskazuje, jakie napięcie będzie potrzebne do obsługi FET, ponieważ przełącznik ALE w rzeczywistości w pełni wzmocnione Vgs jest zwykle kilkakrotnie Vgsth. Również Vg wymagane do pełnego ulepszenia zależy od pożądanych ID.

Ten wykres, skopiowany z odpowiedzi Madmangurumana, pokazuje, że przy Vgs = 7 V rzeczywistość Ids / Vds jest liniowa do około Ids = 20A, więc FET jest „w pełni wzmocniony” i do tego momentu wygląda jak opornik. W tym FET Vds wynosi około 1,5 V przy około 20 A, więc Rdson wynosi około R = V / I = 1,5 / 20 = 75 miliomów.
Dla tego FET istnieje krzywa przy Vgs = 1 V, więc VGSth = Vth jest prawdopodobnie w zakresie 0,5 V-0,8 V przy powiedzmy 100 uA.

Aby zobaczyć nasycenie, musisz podać wystarczające napięcie, aż w końcu wzrost napięcia nie zmieni prądu.
Aby to zrobić, ustaw Vgs na wartość statyczną (> Vth), a następnie podnieś napięcie na Vds i zmierz prąd. Początkowo będzie rosnąć dość liniowo, będąc w obszarze omowym lub liniowym, ale ostatecznie spłaszczy się i pomimo dalszego wzrostu prądu przez MOSFET pozostanie taki sam.

Jeśli chodzi o definicję nasycenia, rozumiem, że nasycenie / liniowość w MOSFET-ach oznacza w przybliżeniu przeciwieństwo tego, co robią w BJT. Ten dokument (pod charakterystyką MOSFET kilka stron) sugeruje podobne, ale dopóki rozumiesz, jak one działają i co rozumiesz przez ten termin, to powinieneś być w porządku (przynajmniej dopóki nie omawiasz z kimś tranzystorów :-))

http://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html

Na tej stronie znajduje się dobry aplet symulatora MOSFET. Mam nadzieję, że to pomoże.
Zadałem też podobne pytanie jakiś czas temu; możesz się do tego odwołać.

B) W obszarze nasycenia stanie się coś innego -> przy wzroście napięcia ZASILANIA jasność diody LED nie zmieni się. Dodatkowe napięcie przykładane do DOSTAWY nie przełoży się na większy prąd. Zamiast tego będzie dotyczył MOSFETU, więc napięcie DRAIN wzrośnie wraz z napięciem zasilania (więc zwiększenie zasilania o 2 V będzie oznaczało zwiększenie napięcia drenażu o prawie 2 V)

Jak to? Zwiększenie podaży powinno zwiększyć V ds tylko o Id X Rds (on). Biorąc pod uwagę, że dioda LED będzie miała prawie taki sam spadek napięcia do przodu, wówczas podwyższone napięcie będzie musiało być dzielone przez rezystor szeregowy i urządzenie. Ponieważ rezystor ma znacznie większą wartość (390 omów w porównaniu do 0,8 omów urządzenia), główny udział spadku napięcia musi przypadać na rezystor. Ponadto z pewnością nastąpi wzrost prądu drenu wraz ze wzrostem rezystancji. Straty MOSFET są obliczane w stanie ustalonym jako bieżący kwadrat pomnożony przez Rds (on). Zatem obserwacja „Napięcie drenażu wzrośnie wraz z napięciem zasilania (więc zwiększenie zasilania o 2 V będzie oznaczało zwiększenie napięcia drenażu o prawie 2 V)” jest nieprawidłowe