Trong bài viết trước, chúng ta đã tìm hiểu chi tiết về bóng bán dẫn bjt là gì. Trong bài viết hôm nay chúng ta sẽ cùng nhau tìm hiểu về một thành phần rất phổ biến khác đó là Mosfet (FET). vậy fet là gì? mosfet là gì? cấu tạo, nguyên lý làm việc, phân loại, sơ đồ mạch ứng dụng của mosfet sau đây chúng ta cùng nhau tìm hiểu nhé.
1. Fet là gì? Mosfet là gì?
fet (bóng bán dẫn hiệu ứng trường) là một bóng bán dẫn hiệu ứng trường. fet có 2 loại là mosfet và jfet, trong thực tế mosfet được sử dụng rộng rãi hơn. Trong bài này chỉ tập trung tìm hiểu chi tiết về mosfet. vậy mosfet là gì?
mosfet (fet) là gì
mosfet (bóng bán dẫn hiệu ứng trường bán dẫn oxit kim loại) là một loại bóng bán dẫn có khả năng chuyển mạch nhanh và tổn hao khi chuyển mạch thấp. không giống như bóng bán dẫn bjt có cổng được điều khiển bởi dòng điện, mosfet được điều khiển bằng điện áp.
MOSFET yêu cầu tiêu thụ điện năng thấp trong mạch cổng jack, tốc độ đóng nhanh và suy hao chuyển mạch thấp. tuy nhiên, mosfet có điện trở dẫn điện lớn. do đó, tổn thất điện năng trong quá trình lái xe rất lớn nên nó không thể trở thành một thiết bị có công suất lớn. được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công suất nhỏ (vài kW)
2. cấu tạo và nguyên lý làm việc của mosfet
– cấu trúc mosfet
Các thành phần mosfet có thể có cấu trúc pnp và npn. Hình dưới đây mô tả cấu trúc của một mosfet loại npn. Giữa lớp kim loại cổng và các tiếp giáp n + và p là một lớp điện môi ôxít si hoặc ôxít silic. ưu điểm cơ bản của mosfet là khả năng điều khiển bộ ngắt mạch bằng xung điện áp trong mạch cổng.
cấu trúc của một mosfet là gì
– nguyên lý làm việc của mosfet
Khi đặt một hiệu điện thế dương giữa cổng g và nguồn thì hiệu ứng điện trường (fet) sẽ hút các êlectron từ vỏ n + sang vỏ p. tạo điều kiện thuận lợi cho việc hình thành một kênh kết nối gần cổng hơn, cho phép dòng điện chạy từ đầu nối cống đến đầu nối nguồn.
3. đặc điểm của mosfet là gì
3.1 đặc điểm của mosfet
Đặc tính v-a của thiết bị MOSFET loại n được vẽ như dưới đây, tương tự như đặc tính v-a của bjt. sự khác biệt là tham số điều khiển là điện áp kích thích ugs thay vì ibe dòng điện kích thích.
Chức năng mosfet v-a
Để mosfet ở trạng thái đóng, điện áp cổng liên tục được yêu cầu, điện áp cần thiết để điều khiển hoàn toàn mosfet thường là 10-15v. điện áp điều khiển tối đa ± 20v (tùy loại), mặc dù thông thường có thể sử dụng tối đa 5v để điều khiển.
Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển là không đáng kể, trừ khi mạch là thoáng qua, đóng hoặc ngắt kết nối. tại thời điểm đó xuất hiện dòng phóng điện và điện tích của tụ điện.
thời gian chuyển đổi rất nhỏ, từ vài ns đến hàng trăm ns tùy thuộc vào thành phần. Nội trở của MOSFET khi điều khiển rum thay đổi tùy thuộc vào điện trở điện áp của thành phần. do đó, các linh kiện mosfet thường có định mức điện áp thấp tương ứng với trở kháng bên trong nhỏ và tổn hao thấp.
tuy nhiên, tốc độ chuyển mạch nhanh, tổn thất thấp. vì vậy với định mức điện áp 300-400v, MOSFET có lợi thế hơn so với bjt ở tần số vài chục khz.
mosfet có thể sử dụng đến điện áp 1000v, cường độ dòng điện vài chục ampe. hoặc với hiệu điện thế vài trăm vôn với cường độ dòng điện cho phép khoảng 100a.
3.2 đặc điểm của mosfet
tên
điện áp danh định tối đa
dòng điện trung bình danh nghĩa
rum
qg nổi bật
irfz48
60v
50a
0,018
110nc
irf510
100v
5,6a
0,54
8,3nc
irf540
100v
28a
0,077
72nc
apt10m25bnr
100v
75a
0,025
171nc
irf740
400v
10a
0,55
63nc
mtm15n40e
400v
15a
0,3
110nc
apt5025 tỷ
500v
23a
0,25
83nc
apt1001rbnr
1000v
11a
1.0
150nc
trong đó qg là lượng điện tích được nạp và phóng ra từ điện dung đầu vào khi bóng bán dẫn bật và tắt. công suất tổn hao của mạch cổng phụ thuộc vào đại lượng qg theo công thức: pg = qg.ugs.fs; trong đó fs là tần số chuyển đổi của bóng bán dẫn.
xem biểu dữ liệu mosfet kênh n irf540
4. xếp hạng mosfet
Có hai loại mosfet phổ biến: Mosfet kênh n và kênh p
Xếp hạng mosfet là gì?
– MOSFET kênh n: điện áp điều khiển mở của MOSFET là ugs & gt; 0, dòng điện sẽ đi từ d đến s.
Dưới đây là sơ đồ mạch kiểm tra mosfet kênh n.
sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động của mosfet kênh n
Mạch sử dụng diode zener 12v để kẹp nguồn áp 12v, điện trở r1 giới hạn dòng cho zener. khi rv1 thay đổi giá trị từ 0 đến 10k, điện áp trong ugs sẽ thay đổi từ 0 đến 12v. và qua mô phỏng, chúng ta có thể thấy:
+ khi điện áp kích hoạt ugs & gt; 4v sau đó mosfet bắt đầu tiến hành.
+ khi điện áp ugs> 10v, điện áp uds = 0,25v không thay đổi (mosfet dẫn đến bão hòa).
video mô phỏng mạch:
– MOSFET kênh p: điện áp điều khiển mở của MOSFET là ugs & lt; 0, dòng điện sẽ đi từ s đến d
Sơ đồ mạch kiểm tra mosfet kênh p được vẽ như bên dưới.
sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động của MOSFET kênh p
Tương tự như mạch điều khiển mosfet kênh n, sử dụng một diode zener 12v để tạo ra nguồn điện áp 12v. khi giá trị của biến trở rv1 thay đổi từ 10k – 0 ohm thì điện áp ugs = -usg thay đổi từ 0 – 12v. qua mô phỏng, chúng ta có thể thấy:
+ khi điện áp usg & gt; 4v, MOSFET kênh p bắt đầu dẫn.
+ khi điện áp usg & gt; 10v MOSFET dẫn đến bão hòa.
video mô phỏng mạch:
5. một số mạch ứng dụng mosfet
Mạch điều khiển 5.1 mosfet với công tắc
mạch đơn giản sử dụng công tắc điều khiển mosfet, qua đó bóng đèn một chiều điện áp cao được điều khiển. phần nguồn sử dụng điện áp một chiều 50v và phần điều khiển sử dụng điện áp một chiều 12v.
+ khi công tắc mở: điện trở r1 kéo xuống sẽ kéo điện áp từ ugs xuống 0v nên mosfet sẽ không dẫn.
bật, tắt đèn
+ khi công tắc đóng: ugs điện áp = 12v, trình điều khiển mosfet bão hòa giống như công tắc đóng nên đèn sáng.
đóng công tắc, đèn sáng
MOSFET điều khiển 5.2 với mạch snubber bóng bán dẫn npn
Mạch sau đây điều khiển mosfet bằng mạch đệm sử dụng bóng bán dẫn npn bổ sung. bóng bán dẫn hoạt động như một công tắc giống như ở trên.
điều khiển mosfet sử dụng bộ đệm bóng bán dẫn
<3
+ khi điện áp điều khiển u1 cao, transistor q2 đóng, điện áp ugs = 0v, mosfet không dẫn điện.
ưu điểm của mạch này là mạch điều khiển xung có điện áp cao chỉ 3,3v hoặc 5v, ngõ ra phù hợp với tất cả các loại vi điều khiển hiện nay.
nhược điểm là không thích hợp cho các ứng dụng ở tần số quá cao, vì các tụ điện ký sinh bên trong mosfet sẽ làm chậm khả năng chuyển mạch của mosfet. Để giải quyết vấn đề này chúng ta sẽ tìm hiểu mạch ứng dụng bên dưới.
Điều khiển 5.3 mosfet sử dụng mạch snubber cực totem
Sơ đồ mạch được cải tiến sử dụng cấu trúc cực totem bao gồm 2 bóng bán dẫn npn và pnp.
Điều khiển mosfet bằng mạch giảm chấn totem
+ khi điện áp dẫn động u1 cao, q2 dẫn điện và q3 bị chặn để làm cho mosfet dẫn điện.
+ khi hiệu điện thế u1 thấp, q2 tắt, các điện tích tụ ký sinh trong mạch cổng được giải phóng và q3 đang dẫn. đưa điện áp ugs nhanh chóng về 0v, do đó, mosfet không dẫn điện.
Ưu điểm của mạch này là nó có thể đáp ứng tín hiệu tần số cao, nhưng mạch khá phức tạp.
Do tính chất nhạy cảm của vi điều khiển, opto thường được sử dụng để cách ly mạch điều khiển và mạch nguồn.
mạch điều khiển mosfet 5.4 có cách ly
Mạch sau đây sử dụng opto PC817 để cách ly mạch điều khiển và mạch nguồn. Mạch tạo xung có thể sử dụng vi điều khiển hoặc mạch tạo xung PWM. ở đây tôi sẽ sử dụng mạch ic555.
Sơ đồ trình điều khiển mosfet biệt lập
Nguyên tắc của mạch như sau:
+ khi điện áp đầu ra của mạch ic555 thấp, led opto sẽ bật và làm cho transistor trong opto dẫn điện. nối q3, ngắt q2, điện áp ugs = 0v nên mosfet không dẫn điện.
+ khi điện áp đầu ra của mạch ic555 cao, led opto tắt, do đó transistor bên trong opto mở. điện áp 12v trên điện trở r1 làm cho bóng bán dẫn q2 bật, điều khiển ổ đĩa mosfet.
mạch mô phỏng trong phần mềm proteus
Mạch điều khiển này cũng có nhược điểm là không thể đảo chiều động cơ điện một chiều. do đó, đối với các ứng dụng cần đảo ngược, một cầu nối h được sử dụng.
5,5 h-bridge sử dụng 4 mosfet kênh n
Nguyên tắc của điều khiển tốc độ động cơ cầu h bằng cách sử dụng các MOSFET là điều khiển truyền động của từng cặp MOSFET để thay đổi hướng của dòng điện chạy trong động cơ.
+ Giả sử rằng khi bật q1 và q4, động cơ quay theo chiều thuận.
+ khi q2 và q3 đang bật, động cơ quay theo hướng ngược lại.
h-bridge sử dụng 4 mosfet kênh n
ghi chú:
+ hai mosfet trên cùng một cột (q1 và q2, q3 và q4) không được dẫn cùng một lúc vì nó sẽ gây ra đoản mạch.
+ để mosfet dẫn điện hoàn toàn, điện áp ugs của mỗi mosfet phải là 12-18v.
+ ta thấy ở hai mosfet q1 và q3 điện áp s luôn thay đổi, để ổn định điện áp kích hoạt ugs người ta sẽ dùng mạch bootstrap. trong mạch này tôi sẽ sử dụng ic trình điều khiển ir2103 để điều khiển trình điều khiển mosfet.
chi tiết về h-bridge sử dụng mosfet mình đã trình bày rất chi tiết ở bài viết sau, các bạn có thể tải về để tham khảo.
bạn cũng có thể xem video mô phỏng cầu h tại đây
& gt; & gt; & gt; xem thêm:
- diode – thông tin chi tiết về diode
- bóng bán dẫn? cấu tạo, nguyên lý, phân loại, ứng dụng của transistor
tài liệu tham khảo
giáo trình điện tử công suất – nguyễn văn cảm ơn
giáo trình linh kiện điện tử – Đại học gtvt
tải sách giáo khoa và tài liệu tham khảo tại đây
