Mosfet'ler

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler (MOSFET'ler) hakkındaki bu makale, önceki “Diyot Nedir?” (ELEVATOR WORLD, Ağustos 2014) makalesinden alınan derslere dayanmaktadır.

Metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler (MOSFET'ler), daha önce gelen bağlantı alan etkili transistörlere (JFET'ler) benzer. Bir MOSFET'te kapı, cihazın geri kalanından bir silikon dioksit tabakası ile yalıtılmıştır. (Başlangıçta yalıtım malzemesi metal oksitti. Değişime rağmen eski adı devam ediyor.) Yalıtımlı kapının yapısal ve elektriksel olarak nasıl çalıştığını ve bundan sonraki tüm etkileri anlarsanız, MOSFET'i elektronik servis hizmetinin kapsamını anlarsınız. cihazı içeren ekipman basit olacaktır.

Öğrenme hedefleri

Bu makaleyi okuduktan sonra şunları öğrenmiş olmalısınız:
♦ MOSFET'ler ve JFET'ler arasındaki benzerlikler ve farklılıklar
♦ MOSFET'ler nasıl güvenli bir şekilde kullanılır?
♦ MOSFET'lerin çalışabileceği iki modun önemi
♦ Asansör motorlarında akım taşıyan cihazların istenildiği gibi çalışmasını sağlamak için nasıl anahtarlanır?
♦ MOSFET'lerin asansör motorlarında ne zaman kullanıldığı ve motor sargılarında erken yalıtım arızasının nasıl önleneceği

Temel Nitelikler

Kapı ile n- veya p-tipi kanal (NMOS veya PMOS) arasındaki elektrik bariyeri nedeniyle, MOSFET'in DC giriş empedansı JFET'inkinden bile daha yüksektir: 10-100 milyon megohm gibi neredeyse akıl almaz bir değerde. Bunu, yüksek voltajlı bir iletim hattını çevreleyen yalıtımın tipik 200 meg sıcaklık düzeltmeli okumasıyla karşılaştırın. Ek olarak, bu empedans, yalnızca birkaç atom kalınlığında olabilen bir dielektrik katmanın özelliğidir. Kapasitans, yalıtkan malzemenin dielektrik sabitinin bir fonksiyonu olduğundan ve kalınlığı ile ters orantılı olduğundan, elektrik ortamına bağlı olarak, kapı-kanal örtülü kapasitörün kapasitansını 2 fF civarında olduğu gibi hesaplayabiliriz.

Bir JFET'te olduğu gibi, MOSFET kanalından akan akım, iki kutuplu bir transistörde olduğu gibi giriş devresinden akan akım tarafından değil, daha çok, referansa göre kapıya yerleştirilen voltaj tarafından düzenlenir. the source. Böyle küçük bir elektrot üzerine bir şarj yerleştirmek için gereken akım miktarı sadece çok küçük olarak tanımlanabilir, bu nedenle MOSFET, yukarı akış cihazının çıkış devresine neredeyse hiç yük koymaz - yani, JFET'ten çok daha az. Bunu söylemenin başka bir yolu, MOSFET'in son derece yüksek giriş empedansına sahip olmasıdır ve bu, birçok uygulamada değerini açıklar. Onu besleyen cihaza MOSFET görünmez. Aynı zamanda, MOSFET'in düşük çıkış empedansı vardır, bu nedenle, onu takip eden aşama tarafından yüklenme eğilimi az olan katı bir kaynaktır. Bunun tek dezavantajı, kapı ve kaynak/drenaj arasındaki çok ince dielektrik bariyeri ile muazzam giriş empedansı nedeniyle MOSFET'leri kullanırken dikkatli olunması gerektiğidir. Bir cam veya plastik nesneye karşı fırçalayan insan vücudu, topraklanmamışsa, MOSFET bağlamında (diyafanlı iç yapısı ile) çok yüksek bir elektrostatik yük edinme ve tutma eğilimindedir.

MOSFET'leri Koruma

Sonuç olarak, yedek bir MOSFET'i ambalajından çıkarırken ve yerinde lehimlemeye hazırlanırken özel önlemler alınmadan, bir teknisyenin cihazı işe yaramaz bir silikon parçasına dönüştürme olasılığı yüksektir, böylece ekipman parçası olduğunda tekrar hizmete alındığında, onarımdan öncekinden daha iyi çalışmadığı görülecektir. Bununla birlikte, MOSFET, bu tür bir hasara dair görünür bir işaret göstermeyecektir. Bu talihsiz olayı önlemek için bazı önlemler alınmalıdır. Üreticiler normalde, bir elektrostatik yük birikmesini önlemek için iletken köpüğe itilmiş veya bir bakır tel ile kısa devre yapılmış terminallerle paketlenmiş MOSFET'leri gönderir. Bu durumda, kurulumdan hemen öncesine kadar cihazı şönt halinde tutun. MOSFET'i tutarken terminallere dokunmaktan kaçının. Cihazın plastik veya kumaşla temas etmesine izin vermeyin. Ayrıca, biriktirmiş olabileceğiniz potansiyeli boşaltmak için düzenli olarak iyi topraklanmış iletken bir yüzeye dokunun.

Elektrostatik yüklenmeyi önlemek için, MOSFET'ler işlenecekse, şantiyede piyasadan temin edilebilen bir topraklama bileziği bağlanabilir ve takılabilir. Kendin yapabilirsin. 8 AWG çıplak katı bakır telden gevşek oturan bir bakır bilezik tasarlayın ve buna toprak bağlantısı için uygun uzunlukta 16 AWG yalıtımlı bükümlü tel lehimleyin. Uzak uçta, ses ekipmanı için kullanılan türde bir telefon jakı bağlayın. Dişi soketi topraklanmış bir muhafazaya takın. Kasanın, ısınabilecek eski tip kayan zemin tipi olmadığından emin olun. Serviste doğrudan ekipman toprağına bağlı bir ekipman toprağına ihtiyacınız var. Topraklama bileziğinizin zeminden izole olma, bu durumda MOSFET'i kaybedebileceğiniz ve ısınma ihtimalinin bulunmadığından, bu durumda kendinizi kaybedebileceğinizden emin olun. Güç ekipmanı üzerinde veya tehlikeli bir voltajla temas edebileceğiniz herhangi bir devre üzerinde çalışırken topraklama bileziğini takmayın.

Zararlı bir elektrostatik yükün veya kaçak akımın diğer kaynağı, havya, matkap veya elektrikli lehim emici dahil olmak üzere her türlü elektrikli alet olabilir. Bir havyanın ucu her zaman topraklanmalıdır. Baskılı devre kartına basınçlı hava üflemek bile elektrostatik yük oluşturabilir, bu nedenle teknisyen bu tür görevleri gerçekleştirirken her zaman yakındaki MOSFET'lere dikkat etmelidir.

Bir MOSFET'e verilen elektrostatik hasar, hasarın hemen ortaya çıkmayabileceği, ancak gizli olabileceği ve yolda günler, haftalar veya aylar boyunca erken bileşen arızasına neden olabileceği için sinsi olabilir. Önleyici bir önlem, havayı nemlendirmektir: örneğin, çalışma alanının yakınındaki bir ocakta bir tencerede su kaynatarak. Nemli hava, yüklü bir gövdedeki elektrostatik potansiyeli sürekli olarak boşaltır, böylece zarar verici bir seviyeye ulaşmaz.

CMOS devrelerinin sorun giderme ve onarımını tasarlamak veya bu devrelerde uzmanlaşmak için kararlı durum ve dinamik elektrik davranışlarının farkında olunmalıdır.

Çalışma

MOSFET'in aksine, JFET yalnızca bir modda çalışır. Kapıdaki voltaj olduğunda (referans olarak the source) 0 ise kanal alacağı kadar iletkendir. Ardından (n-tipi kanallı bir cihaz için), negatif bir voltaj uygulanırsa kanal daralır ve daha az iletken hale gelir. "Pinch-off" olarak bilinen belirli bir seviyede (veri sayfasında bulunacak) kanal kapanır ve cihaz artık çalışmayacaktır. Eşik seviyesinin üzerinde bir voltaj uygulanması akımın azalmasına ve ardından tamamen durmasına neden olduğundan, bazen JFET'in tükenme modunda çalıştığı söylenir, ancak bu cihaz için başka bir mod olmadığı için bu terminoloji yanıltıcı olabilir. JFET yalnızca ters taraflı olmalıdır. İleriye dönük ise, akım yalnızca güç kaynağının maksimuma çıkarılmasıyla sınırlandırılır, bu nedenle JFET yok edilir.

Öte yandan MOSFET, bir tükenme veya geliştirme modunda çalışabilir. Geliştirme modunda, referansa göre kapıda 0 V olduğunda the source, MOSFET yürütmez. Uygulanan voltaj eşik seviyesini aşarsa cihaz iletime başlar ve kanaldaki akım miktarı doyuma kadar lineer bir şekilde artar. Tükenme modunda, MOSFET'in performansı bir JFET'in performansına benzer. Kapıya uygulanan voltaj referansla the source 0 ise cihaz iletkendir. Voltaj eşik seviyesinin üzerine çıktığında, kanal, akımın kanaldan akamadığı noktada sıkışma meydana gelene kadar daha az iletken hale gelir.

Özetlemek gerekirse, JFET'in iki çeşidi vardır: NMOS ve PMOS, oysa MOSFET'in dört türü vardır: NMOS tükenmesi ve geliştirmesi ve PMOS tükenmesi ve geliştirmesi. MOSFET (kapıyla ilişkili daha sağlam yalıtım katmanı dışında) yapısal olarak JFET'e benzediğinden, birinin iç işleyişini anladığınızda diğerini de anlayacaksınız. Bununla birlikte, MOSFET'in tam olarak ek uygulamalara izin veren yüksek yalıtımlı kapısı nedeniyle bazı önemli avantajları vardır. MOSFET'in transistör ortamına hakim olmasının nedeni budur. Bu, hiçbir yerde entegre devre (IC) alanından daha belirgin değildir. Aslında, bugün bildiğimiz haliyle el tipi hesap makinesi ve dizüstü/masaüstü bilgisayarlar, hem ayrı bir cihaz olarak hem de IC içinde MOSFET olmadan mümkün olmazdı.

CMOS Devresi

Mevcut MOSFET teknolojisi, PMOS ve NMOS'a ek olarak tamamlayıcı MOSFET (CMOS) devresinin varlığını içerir. MOSFET'ler elektronik ekipmanlarda yarı iletken kullanımına hakim hale gelse bile, CMOS konfigürasyonu hem dijital hem de analog uygulamalar için en önemli tasarım stratejisi olmaya devam ediyor. Bunun nedeni, CMOS devresinin çok daha az güç kaybı içermesidir, bu da daha az ısı dağılımına ve beraberindeki sıcaklık artışı şeytanına eşittir. Bu azalma, CMOS uygulamasında her NMOS'un bir PMOS tarafından tamamlanması (dolayısıyla adı) sayesinde mümkün olur. Her iki kapı ve her iki drenaj birbirine bağlanmıştır. "CMOS", diyot veya JFET gibi tek bir yarı iletkeni değil, zıt (ve tamamlayıcı) MOSFET türlerinden (NMOS'lar ve PMOS'lar) oluşan bir devre tipini ifade eder. Bu devre, konsepti göstermek için bağımsız bir konfigürasyon olarak oluşturulabilir, ancak olağan dağıtım, yüz milyonlarca bu alt devrelerin tek bir mikroçip içinde birbirine bağlanabileceği bir IC içindedir.

CMOS teknolojisindeki daha düşük güç tüketimini açıklayan şey, PMOS'ların ve NMOS'ların seri olarak bağlanmasıdır. Biri açıkken diğeri kapalıdır, bu nedenle seri kombinasyonu, geçişler sırasında çok kısa bir süre dışında akım çekmez. Bu CMOS devrelerinin büyük bir kısmı küçük bir IC paketinde bulunduğunda, bu minimum ısı dağılımı önemli bir avantajdır ve CMOS devresinin neden mikro elektronik dünyasına hükmetmeye başladığıdır.

Bilgi, analog veya dijital formda olabilir. Uygun elektronik devre, her iki formatı da karşılığına dönüştürebilir. Bu dönüşümün nasıl ve nerede gerçekleştiği kritiktir ve hangi CMOS teknolojisinin kullanılacağını belirler.

Dijital Hakimiyet

Hepimizin bildiği gibi, dijital ekipman, tüketici ve profesyonel kameralar gibi birçok alanda analog ekipmanının yerini almıştır. Bununla birlikte, fotoğraflanacak nesneden yayılan veya yansıyan ışık tarafından iletilen görüntü, kuantum ifşaatlarına rağmen, amaçlarımız için analog bir fenomendir.

Işık, geleneksel bir lens ve mekanik deklanşörden geçerek görüntünün sensör üzerinde odaklanmasına (belirlenen bir süre boyunca) izin verir. Bu noktada iki farklı teknoloji ortaya çıktı. Uzun yıllar boyunca, şarj bağlantılı cihaz (CCD) kalite açısından belirleyici bir avantaja sahipti, ancak CMOS sensörleri, kilit alanlarda devraldıkları noktaya kadar gelişti. Daha düşük maliyetle ve daha az güç kullanarak (daha uzun pil ömrü ve şarjlar arasında daha uzun aralıklar anlamına gelir) CMOS sensörleri, sadece bir mekandan bahsetmek gerekirse, hem tüketici hem de profesyonel dijital kameralarda baskın hale geldi.

CCD teknolojisi, bitişik kapasitörler arasında dizi yüzeyi boyunca yük transferini içerir. Yük, dizi boyunca iletilir, bir analogdan dijitale dönüştürücünün şarj miktarını ölçtüğü ve bilgisayara indirmeye hazırlanırken ikili bilgi oluşturduğu bir köşede ortaya çıkar. CMOS, zaten dijitalleştirilmiş, geleneksel kablolama üzerinden baskılı devre kartına taşınmaya hazırlanırken bilgileri yakalamak için her pikselde çok sayıda MOSFET'in kullanılmasını içerir. Bu mümkündür, çünkü gördüğümüz gibi, CMOS devresinde dağıtılacak çok daha az ısı vardır, bu nedenle daha fazla cihaz küçük bir çipte yaşayabilir.

Analog/dijital kamera ortamının aksine, tamamen dijital CMOS teknolojisinde, girişler ve çıkışlar yalnızca (1) açılır (0) ve kapatılır (1). Cihaz açıksa, tamamen doymuştur: analog bir cihazın aksine, yanıt eğrisinin çizgisel kısmı içinde çalışmak üzere tasarlanmamıştır. Voltaj seviyesi (0'i temsil eder) düştü. Tipik olarak, toprak (düşük voltaj) 1 V'a ayarlanır. Geçmiş on yıllarda 5, +XNUMX volt olarak tanımlanırdı, ancak o zamandan beri çok büyük ölçekli entegrasyon (VLSI) elde edilebilmesi için kademeli olarak daha düşük ayarlandı.

CMOS tek aşamalı mantık kapıları ters çevirir, yani giriş 1 olduğunda çıkış 0 ve giriş 0 olduğunda çıkış 1'dir. çift ​​sayıda) aşama.

CMOS Sorun Giderme ve Onarım

CMOS devrelerinin sorun giderme ve onarımını tasarlamak veya bu devrelerde uzmanlaşmak için kararlı durum ve dinamik elektrik davranışlarının farkında olunmalıdır. Parametreler üreticilerin veri sayfalarında bulunur ve mantıksal voltaj seviyelerini, DC gürültüsünü, izin verilen fan çıkışını, güç tüketimini, elektrostatik deşarjı ve üç durumlu ve açık devre çıkışını içerir. Mantık 1'in bir giriş olarak algılanması için V1H(min), üretici tarafından veri sayfasında belirtilen seviyenin altına düşmemelidir. Benzer şekilde, herhangi bir cihazın düşük seviyeli giriş voltajı, yüksek seviyeli çıkış voltajı ve düşük seviyeli çıkış voltajı olacaktır. Sapmalar, kararsız devre çalışmasına neden olan gürültüden kaynaklanır.

"Fan-out", bir mantık geçidinin kullanabileceği giriş sayısını performansın düştüğünü görmeden ileten pitoresk bir terimdir. Bu, ana cihazın çıkış özelliklerinin ve sürülen girişlerin sayısının, ayrıca yükleme özelliklerinin, özellikle giriş empedanslarının bir fonksiyonudur. Düşük ve yüksek durum yayılımları genellikle aynı değildir, bu nedenle en kötü durum önemli olandır. Frekans arttıkça, izin verilen fan çıkışı, elbette toplamsal olan toplam paralel kapasitanslara daha fazla bağımlı hale gelir. Toplam yükteki her CMOS cihazı için yayılma gecikmesi daha büyük olur, bu nedenle bu miktarı hesaplamak ve izin verilen maksimum yayılma gecikmesi ile karşılaştırmak gerekir.

Çıkış, derecelendirmesinin ötesinde yüklenirse, düşük durumda çıkış artışının maksimum sınırın ötesine geçmesini bekleyin. Yüksek durumda, çıktı özelliklerin altına düşebilir. Ek olarak, yayılma gecikmesi ve yükselme ve düşme sürelerinin yüksek olması muhtemeldir. Her şeyden önce, sıcaklık artışına, devre güvenilirliğinin bozulmasına ve kısa sürede CMOS'un bozulmasına dikkat edin. DC durumunda, yukarıda bahsedilen CMOS devre konfigürasyonu nedeniyle güç tüketimi düşüktür. Ancak frekans arttıkça bu avantaj ortadan kalkar. Herhangi bir uygulama için üreticinin veri sayfasını kontrol etmek önemlidir. Rakam büyük dizilerde yükselir ve besleme ve iletken boyutlarının yeterli olduğundan emin olmak gerekir.

Asansör teknisyenlerinin temel ilgi alanlarından biri ana asansör motorudur. Hız kontrolü ve tersine çevrilebilirlik her zaman etken olduğundan, sürücü sorunları öne çıkıyor. Tek sürücü, yalnızca fırçasız DC ve step motorlar gibi en küçük motorlarda bir MOSFET olabilir. Daha fazla akım çektikleri için daha büyük motorlar güç yarı iletkenleri gerektirir. Herhangi bir bağlamda, akım taşıyan cihazlar, motorun gerektiği gibi çalışmasını sağlayacak şekilde değiştirilmelidir.

Motorun akım gereksinimlerine atıfta bulunurken, başlatma akımının, tam yüklü olsa bile motorun nominal hızında çalışması için gereken akımdan daha büyük olduğunun her zaman fark edilmesi önemlidir. Bunun nedeni, dönmediği zaman, "arka elektromanyetik alan" olmaması ve yükün yalnızca motor sargılarının omik direnci ile sınırlandırılmasıdır; bu, dönüş armatürünün stator manyetik alanının çalışmasına neden olduğundan çok daha düşüktür.

Motor sargılarına beklenmedik şekilde yüksek voltajlar iletilebilir ve belirli koşullar altında erken yalıtım arızasına neden olabilir. Kart ve kurşun endüktansı, motor devresinde çınlamaya neden olarak istenmeyen voltaj yükselmelerine neden olabilir. Bu fenomen yüksek frekanslarda daha belirgindir, ancak temel elektrik enerjisi DC olsa bile elektronik veya mekanik olarak neden olunan hızlı başlama ve durma zamanının aynı şeyi yapacağını anlamak önemlidir. Onarırken, kabloları değiştirirken, özellikleri değiştirecek şekilde yeniden yönlendirmemeye dikkat edin. Motor düzgün çalışırken bir osiloskopla dalga formlarına bakmak iyi bir fikirdir, böylece ne bekleyeceğinizi bileceksiniz. Çizimler yapın veya dijital bir kapsamla görüntüleri kaydedin ve dosyada saklayın.

Cihaz Seçme

Bir motor sürücüsü için bir güç anahtarlama cihazı seçmenin ilk adımı, iletkenleri boyutlandırmak ve bağlantı kesme ve aşırı akım koruma derecelerini belirlemek için Ulusal Elektrik Kodu ile birlikte motor isim plakasına başvurmaktır. Bu devrenin yükü taşımak için yeterli olduğu varsayılarak, sistem gerilimi, akımı, fazı ve frekansı dikkate alınarak uyumlu sürücü değerleri belirlenebilir.

Güç anahtarlama cihazı muhtemelen bir MOSFET veya yalıtılmış kapılı bipolar transistör (IGBT) olacaktır. Son zamanlarda, MOSFET ve IGBT, Darlington formunda bile basit bipolar transistörün yerini aldı. Bunun nedeni, bipolar transistör akım kontrollü iken voltaj kontrollü MOSFET ve IGBT'nin daha tasarımcı ve kullanıcı dostu olmasıdır. Her bir cihazın ne zaman kullanılacağı tamamen güç tüketimi ve ısı kaybı meselesidir. MOSFET genellikle motora verilen sistem voltajı 250 V'tan az olduğunda kullanılır. IGBT'ler 1,000 volttan daha iyidir. Bu rakamlar arasında, yetki alanları örtüşmektedir, bu nedenle tüm parametrelere iyi ve sıkı bir şekilde bakmak ve uygun şekilde derecelendirme yapmak en iyisidir.

Sonuç

MOSFET'in bir zamanlar popüler olan bipolar bağlantı transistörünün yerini aldığını gördük. İnsan vücudunda birikebilecek veya yetersiz topraklanmış elektrikli aletler tarafından taşınabilecek statik yüklerden zarar görmemesi için, elleçlenirken özel önlemler gereklidir. Bu cihazlar ayrıca, özellikle CMOS türünden olan bir havyadan gelen ısıya karşı da hassastır. Bununla birlikte, bu bileşenler kullanıcı dostudur ve daha az akım çektikleri için eski katı hal cihazlarının yerini büyük ölçüde almıştır.

MOSFET'ler, IC'lerde VLSI'yi mümkün kıldı ve bu gerçek, hayatımızın çok büyük bir parçası olan düşük maliyetli bilgisayarların ve her türlü iletişim ekipmanının uygulanabilirliğini açıklıyor. MOSFET, kompakt cep telefonlarından günümüzün büyük şehirlerini gerçeğe dönüştüren büyük asansör dizilerine kadar önemli bir rol oynamaktadır. Elektronik ekipmanla günlük olarak çalışan bizler için iç mekaniği anlamak büyük bir avantajdır. Bu anlayışın anahtarlarından biri, bilgiye gerektiği kadar çabuk erişme yeteneğidir. Basılı sözcük büyük bir yardımdır. Derhal ihtiyaç duyulan pahalı ekipman üzerinde çalışırken bir ders kitabının maliyeti kolayca haklı çıkarılabilir. Ayrıca, internette ücretsiz olarak çok sayıda bilgi mevcuttur. Bir dahaki sefere bir onarım sırasında kafanız karıştığında, marka ve modeli bir YouTube arama çubuğuna yazmayı deneyin.

Öğrenme-Takviye Soruları

www.elevatorbooks.com veya sf.103'de çevrimiçi olarak bulunan Sürekli Eğitim Değerlendirme Sınavına çalışmak için aşağıdaki öğrenme-pekiştirme sorularını kullanın. Bu konunun XNUMX.
♦ JFET'lerin ve MOSFET'lerin tanımlayıcı özellikleri nelerdir?
♦ MOSFET'lerle çalışırken neden olağanüstü önlemlere ihtiyaç var?
♦ Topraklama bileziği nasıl çalışır?
♦ MOSFET neden baskın bir yarı iletken teknolojisi haline geldi?
♦ CMOS konfigürasyonunun avantajı nedir?