Od dłuższego czasu pracuję nad ulepszeniem MOSFET. Ale nigdy nie widziałem żadnego obwodu używającego MOSFET-u wyczerpania.

Jakie są typowe przypadki użycia MOSFET-u wyczerpania?

Rzeczywiście, nie są one bardzo szeroko stosowane, ale wciąż mają kilka powodów, aby być dostępne.

Jako urządzenia dyskretne:

Jako proste źródło prądu stałego

jeśli umieścisz rezystor między źródłem a bramą, wówczas utworzysz źródło prądu stałego:

Jeśli prąd wzrośnie, zwiększa spadek napięcia na rezystorze, a zatem obniża napięcie bramki, co nieco wyłączy mosfet. Jeśli prąd spadnie, mosfet trochę się włączy. To zawsze znajdzie równowagę i dlatego masz źródło prądu z tylko dwoma elementami, których prąd zależy wyłącznie od rezystora i progu bramki (choć niezbyt dokładne).

W ramach obwodu startowego dla zasilaczy SMPS

Te źródła zasilania wykorzystują układ kontrolera po stronie pierwotnej (220 V lub 110 V). Układ wymaga pewnego niskiego napięcia do pracy (zwykle 10 V), a to napięcie może być dostarczone przez uzwojenie pomocnicze na transformatorze, aby było wydajne (jeśli zasilasz układ, obniżając wysokie napięcie pierwotnie za pomocą zenera, „ Tracę trochę energii, która staje się znacząca przy niskim obciążeniu). Jest w porządku, ale kiedy zaczyna się zasilanie, nie ma jeszcze napięcia na uzwojeniu pomocniczym, więc kontroler nie może być zasilany i nigdy się nie uruchamia.

Tak więc, w jakiś sposób, musisz zasilić kontroler, obniżając wysokie napięcie, przynajmniej podczas uruchamiania. Ale kiedy się uruchomi, a kontroler będzie mógł być zasilany przez uzwojenie Aux, chciałbyś przeciąć tę ścieżkę prądu, która marnuje energię. Jeśli zrobisz to z wyczerpaniem fet, jest to bardzo proste: po prostu musisz ustawić jego źródło na pin zasilający kontrolera, bramę do masy kontrolera i odpływ do wysokiego napięcia (jest to uproszczony widok):

W ten sposób, gdy kontroler nie jest zasilany, wysokie napięcie zasila kontroler (brak napięcia na bramce), a po zasileniu kontrolera ścieżka wysokiego napięcia zostaje przerwana (napięcie ujemne na bramce). Każdy inny sposób na zrobienie tego w trybie ulepszenia fet byłby mniej wydajny (więcej komponentów, bardziej złożona, więcej marnowanej mocy). Właśnie dlatego większość standardowych dostępnych trybów wyczerpywania to tak naprawdę części o wysokim napięciu.

Jako element ochrony przed przepięciem

Ta aplikacja jest ograniczona do ochrony sygnałów lub zasilaczy niskoprądowych, ponieważ fety wyczerpujące mają zwykle bardzo wysoki RDSon. Oto typowy obwód:

Nawet jeśli napięcie sygnału wzrośnie zbyt wysoko, bramka będzie utrzymywana na poziomie napięcia Zenera. Wyjście nie będzie zatem w stanie przekroczyć progu Vz + VGS, ponieważ wtedy mosfet przestałby przewodzić. W rzeczywistości działa jak regulator i blokuje sygnał. Możesz w ten sposób chronić wejścia układu scalonego, jedyną konsekwencją w przypadku nominalnego jest RDSon mosfetu (niższa impedancja niż tylko rezystor i zener).

Zwróć uwagę, jak powyższy obwód wygląda jak prosty regulator NPN. Jest jednak jedna duża różnica: w przypadku regulatora NPN napięcie wyjściowe wynosi Vz-0,6 V. W przypadku wyczerpania FET napięcie wyjściowe wynosi Vz + VGSth. Moc wyjściowa jest powyżej wartości odniesienia.

Kolejny przykład zastosowania zabezpieczenia przeciwprzepięciowego z regulatorem:

Zasada jest taka sama jak powyżej, z tym wyjątkiem, że wykorzystujemy wyjście regulatora bezpośrednio jako odniesienie podawane do bramki (można uniknąć Zenera). W tym przypadku przydatny jest fakt, że moc wyjściowego FET jest powyżej wartości referencyjnej: referencją jest regulowane napięcie 5 V, wiadomo, że VGSth będzie dozwolony dla zaniku regulatora.

Ponieważ można zatem łatwo uzyskać wyczerpanie FETS dla wysokich wartości napięcia, można sprawić, że regulator będzie w stanie z łatwością wytrzymać kilkaset woltów (przydatne w przypadku napięcia sieciowego). Jeszcze raz, pamiętaj, że można to zrobić tylko dla niskich prądów (kilka dziesiątek mA).

W ramach układów scalonych:

Były one również stosowane w logicznych układach scalonych jednocześnie (wczesne lata 80-te).

Zasadniczo były one używane jako element przepustowy wysokiego poziomu, zamiast FET typu P, teraz używanego w układach scalonych CMOS. Działał głównie jako rezystor podciągający, którego wartość stała się wyższa, gdy moc wyjściowa była niska, aby zmniejszyć zużycie energii i nadal mieć niską impedancję w stanie wysokiego poziomu. Przykład z bramą falownika:

Zobacz wpis w Wikipedii „zubożenie-ładowanie_NMOS_logic” .

Dodatkowe zasoby

Dostępnych jest kilka notatek dotyczących aplikacji, aby uzyskać więcej informacji:

• z Infineon , opisujący ogólne wykorzystanie FET w wyczerpaniu (przykład obwodu uruchamiania SMPS pochodzi z tego dokumentu).
• z IXYS , opisujący wiele bieżących zastosowań źródeł. (Zabezpieczenie przepięciowe w przykładowym obwodzie 7805 pochodzi z tego dokumentu).
• od Maxima , opisujący ochronę przeciwprzepięciową dla sygnałów.
• od ALD , który również podaje informacje dotyczące budowy FET w trybie wyczerpania.

Fety z trybem wyczerpywania są przydatne w pozyskiwaniu energii tam, gdzie pożądana jest praca przy bardzo niskim napięciu. Typowy fet tryb zubożania przewyższa Si BJT, a nawet radzi sobie lepiej niż Ge BJT. Pewne tryby zubożenia są nieco rzadkie, ale z punktu widzenia produkcji są one mniej niepożądane niż Ge BJT. Innym zastosowaniem jest wymiana zaworu podczas przywracania starych radioodbiorników. Można łatwo znaleźć zawory audio, ale czasem zawory radiowe są czasem nieobtanowe. Małe mosfety w trybie niskiego napięcia mają niską pojemność bramki, co czyni je potencjalnymi kandydatami na RF / IF / mikser.

Co powiesz na urządzenie, które nie jest ani trybem rozszerzenia, ani wyczerpania? A może dwuznacznie jedno czy drugie?

Wiele procesów CMOS ma w sobie „rodzime” tranzystory. Są to tranzystory, w których nie zastosowano niektórych implantów i dlatego mają bardzo niskie napięcia progowe. W niektórych procesach próg ten jest ujemny (dla NMOS), a zatem jest urządzeniem zubożającym.

Są one obecne, dzięki czemu można je stosować w obwodach polaryzacji, podciągania / zjeżdżania do szyn oraz we wzmacniaczach operacyjnych do operacji Rail to Rail (RR). Chociaż nie jest konieczne posiadanie natywnych tranzystorów, aby uzyskać działanie RR.

W obwodzie polaryzacji są bardzo przydatne, dzięki czemu można aktywnie kontrolować podczas włączania (te obwody ożywają jako pierwsze), a także można zwiększyć zasięg operacyjny, na przykład klasyczne lustro prądu nie działa blisko szyn (poniżej Vth) . Możesz użyć aktywnego urządzenia do sterowania normalnym urządzeniem w jego podprogowym obszarze działania.

Tak więc nawet w dzisiejszym świecie urządzenia te są znacznie częstsze, niż można by się spodziewać.

Uwaga: wpis Wikipedii na tych urządzeniach jest błędny w stwierdzeniu, że istnieją dodatkowe implanty. Chociaż może być prawdą w niektórych przypadkach, w około 5 różnych odlewniach, o których jestem świadomy, te urządzenia mają usunięte etapy procesu .