MOSFET sebagai Switch - Kapan itu dalam Saturasi?

Saya memiliki sirkuit berikut terhubung di papan tempat memotong roti.

Saya memvariasikan tegangan gerbang menggunakan potensiometer. Inilah yang membingungkan saya: menurut wikipedia, MOSFET berada dalam kejenuhan ketika V (GS)> V (TH) dan V (DS)> V (GS) - V (TH).

Jika saya perlahan-lahan meningkatkan tegangan gerbang mulai dari 0, MOSFET tetap mati. LED mulai mengalirkan sejumlah kecil arus ketika tegangan gerbang sekitar 2,5V atau lebih. Kecerahan berhenti meningkat ketika tegangan gerbang mencapai sekitar 4V. Tidak ada perubahan dalam kecerahan LED ketika tegangan gerbang lebih besar dari 4V. Bahkan jika saya meningkatkan tegangan dengan cepat dari 4 menjadi 12, kecerahan LED tetap tidak berubah.

Saya juga memonitor tegangan Drain to Source saat saya meningkatkan tegangan gate. Saluran keluar ke sumber tegangan turun dari 12V ke dekat 0V ketika tegangan gerbang 4V atau lebih. Ini mudah dimengerti: karena R1 dan R (DS) membentuk pembagi tegangan dan R1 jauh lebih besar dari R (DS), sebagian besar tegangan dijatuhkan pada R1. Dalam pengukuran saya, sekitar 10V dijatuhkan pada R1 dan sisanya pada LED merah (2V).

Namun, karena V (DS) sekarang sekitar 0, kondisi V (DS)> V (GS) - V (TH) tidak puas, apakah MOSFET tidak dalam saturasi? Jika ini masalahnya, bagaimana kita mendesain sirkuit di mana MOSFET berada dalam saturasi?

Perhatikan bahwa: R (DS) untuk IRF840 adalah 0,8 Ohm. V (TH) adalah antara 2V dan 4V. Vcc adalah 12V.

Inilah garis beban yang saya rencanakan dari sirkuit saya.

Sekarang, dari apa yang saya peroleh dari jawaban di sini adalah bahwa untuk mengoperasikan MOSFET sebagai saklar, titik operasi harus berada di sebelah kiri garis beban. Apakah saya benar dalam pengertian saya?

Dan Jika seseorang memaksakan kurva karakteristik MOSFET, pada grafik di atas, maka titik operasi akan berada di daerah "linear / triode". Infact, saklar harus mencapai wilayah itu secepat mungkin agar dapat bekerja secara efisien. Apakah saya mengerti atau saya salah?

Pertama-tama, "saturasi" di MOSFET berarti bahwa perubahan dalam VDS tidak akan menghasilkan perubahan signifikan dalam Id (drain saat ini). Anda dapat berpikir tentang MOSFET dalam saturasi sebagai sumber saat ini. Itu terlepas dari tegangan VDS (dengan batas tentu saja) arus melalui perangkat akan (hampir) konstan.

Sekarang kembali ke pertanyaan:

Menurut wikipedia, MOSFET berada dalam saturasi ketika V (GS)> V (TH) dan V (DS)> V (GS) - V (TH).

Itu betul.

Jika saya perlahan-lahan meningkatkan tegangan gerbang mulai dari 0, MOSFET tetap mati. LED mulai mengalirkan sejumlah kecil arus ketika tegangan gerbang sekitar 2,5V atau lebih.

Anda meningkatkan Vgs di atas Vth dari NMOS sehingga saluran terbentuk dan perangkat mulai melakukan.

Kecerahan berhenti meningkat ketika tegangan gerbang mencapai sekitar 4V. Tidak ada perubahan dalam kecerahan LED ketika tegangan gerbang lebih besar dari 4V. Bahkan jika saya meningkatkan tegangan dengan cepat dari 4 menjadi 12, kecerahan LED tetap tidak berubah.

Anda meningkatkan Vgs membuat perangkat melakukan lebih banyak arus. Pada Vgs = 4V hal yang membatasi jumlah arus bukan lagi transistor tetapi resistor yang Anda miliki secara seri dengan transistor.

Saya juga memonitor tegangan Drain to Source saat saya meningkatkan tegangan gate. Saluran keluar ke sumber tegangan turun dari 12V ke dekat 0V ketika tegangan gerbang 4V atau lebih. Ini mudah dimengerti: karena R1 dan R (DS) membentuk pembagi tegangan dan R1 jauh lebih besar dari R (DS), sebagian besar tegangan dijatuhkan pada R1. Dalam pengukuran saya, sekitar 10V dijatuhkan pada R1 dan sisanya pada LED merah (2V).

Semuanya terlihat teratur di sini.

Namun, karena V (DS) sekarang sekitar 0, kondisi V (DS)> V (GS) - V (TH) tidak puas, apakah MOSFET tidak dalam saturasi?

Tidak, bukan. Itu di wilayah linear atau triode. Berperilaku sebagai resistor di wilayah itu. Artinya, meningkatkan VDS akan meningkatkan Id.

Jika ini masalahnya, bagaimana kita mendesain sirkuit di mana MOSFET berada dalam saturasi?

Anda sudah punya. Anda hanya perlu berhati-hati untuk titik operasi (pastikan bahwa kondisi yang telah Anda sebutkan terpenuhi).

A) Di wilayah linier Anda dapat mengamati hal-hal berikut: -> ketika meningkatkan tegangan SUPPLY, LED akan menjadi lebih terang karena arus melintasi resistor dan transistor akan naik dan dengan demikian lebih banyak akan mengalir melalui LED.

B) Di daerah saturasi sesuatu yang berbeda akan terjadi -> ketika meningkatkan tegangan PASOKAN, kecerahan LED tidak akan berubah. Tegangan ekstra yang Anda terapkan pada SUPPLY tidak akan diterjemahkan ke arus yang lebih besar. Alih-alih akan melintasi MOSFET, sehingga volume DRAIN akan naik bersama dengan tegangan suplai (jadi menambah pasokan dengan 2V akan berarti meningkatkan volume drain hampir 2V)

Saya menafsirkan arti 'saturasi' dalam konteks artikel Wikipedia sebagai berikut:

Lembar data untuk MOSFET akan menampilkan grafik dengan kurva yang menunjukkan tertentu untuk tertentu pada , biasanya untuk sejumlah nilai .$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

Dalam contoh ini, garis parabola merah memisahkan apa yang disebut sebagai wilayah 'linier' dari wilayah 'saturasi'. Di wilayah saturasi, garis datar - arus tidak bertambah lagi karena meningkat. Di wilayah linier, saat arus drain meningkat, meningkat - MOSFET bekerja seperti resistor.$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

Dalam situasi Anda, dengan asumsi bagian Anda memiliki kurva yang sama dengan contoh, secara teknis 'tidak', perangkat tidak berada di wilayah saturasi. Yang sedang berkata, Anda sangat rendah sehingga drop sangat kecil dibandingkan dengan resistor seri. Tidak peduli apa naik , drop 'linear' dari MOSFET kecil dibandingkan dengan resistor , dan "tampak" jenuh.$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Jawaban lain di sini memberikan penjelasan yang baik tentang istilah "saturasi" sebagaimana diterapkan pada MOSFET.

Saya hanya akan mencatat di sini bahwa penggunaan ini sangat berbeda dari yang dimaksudkan untuk transistor bipolar dan beberapa kelas perangkat lainnya.

Istilah ini digunakan dengan benar untuk MOSFET di mana

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

TETAPI tidak seharusnya begitu.
Tapi itu, jadi waspadalah.

Transistor bipolar (dan BUKAN MOSFET) "dalam saturasi" ketika dihidupkan dengan keras. Kondisi yang setara dalam mode peningkatan MOSFET (jenis yang paling umum) adalah ketika "ditingkatkan sepenuhnya" TETAPI istilah yang tepat untuk ini telah dicuri.

Ditambahkan:

MOSFET "dihidupkan" oleh tegangan yang diterapkan ke gerbang relatif ke sumber = Vgs.
Vgs yang diperlukan di mana FET mulai menyala dan melakukan jumlah arus yang ditentukan dikenal sebagai 'tegangan ambang gerbang' atau hanya 'tegangan ambang batas' dan biasanya ditulis sebagai Vgsth atau Vth atau serupa.
Vth memberikan indikasi berapa banyak tegangan yang akan dibutuhkan untuk mengoperasikan FET sebagai saklar TETAPI sebenarnya Vgs yang ditingkatkan sepenuhnya biasanya beberapa kali Vgsth. Juga, Vgs yang diperlukan untuk peningkatan penuh bervariasi dengan Id yang diinginkan.

Grafik ini, disalin dari jawaban Madmanguruman, menunjukkan bahwa pada Vgs = 7V realdsasi Id / Vds adalah tentang linier hingga sekitar Id = 20A sehingga FET "sepenuhnya ditingkatkan" dan terlihat seperti resistor hingga sekitar titik ini. Untuk FET Vds ini adalah sekitar 1.5V pada sekitar 20A sehingga Rdson adalah tentang R = V / I = 1.5 / 20 = 75 milliOhms.
Untuk FET ini ada kurva pada Vgs = 1V sehingga VGSth = Vth mungkin berada dalam kisaran 0,5V-0,8V pada katakanlah 100 uA.

Yang perlu Anda lakukan untuk melihat saturasi, adalah menyediakan tegangan yang cukup sampai akhirnya kenaikan tegangan tidak membuat perbedaan pada arus.
Untuk melakukan ini, atur Vgs Anda ke nilai statis pada (> Vth), kemudian naikkan tegangan melintasi Vds dan ukur arus. Pada awalnya ia akan naik cukup linear, berada di wilayah ohmik atau linier, tetapi pada akhirnya akan mendatar dan meskipun meningkatkan lebih jauh arus melalui MOSFET akan tetap sama.

Mengenai definisi saturasi, saya memahami saturasi / linier dalam MOSFET berarti kira-kira kebalikan dari apa yang mereka lakukan dalam BJT. Dokumen ini (di bawah karakterisasi MOSFET beberapa halaman di) menunjukkan yang serupa, meskipun selama Anda memahami bagaimana mereka bekerja dan apa yang Anda maksud dengan istilah tersebut, maka Anda harus baik-baik saja (setidaknya sampai Anda mendiskusikan transistor dengan seseorang :-))

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

Ada applet simulator MOSFET yang bagus di halaman ini. Saya harap ini membantu.
Saya juga mengajukan pertanyaan serupa beberapa waktu yang lalu; Anda bisa merujuknya juga.

B) Di daerah saturasi sesuatu yang berbeda akan terjadi -> ketika meningkatkan tegangan PASOKAN, kecerahan LED tidak akan berubah. Tegangan ekstra yang Anda terapkan pada SUPPLY tidak akan diterjemahkan ke arus yang lebih besar. Alih-alih akan melintasi MOSFET, sehingga volume DRAIN akan naik bersama dengan tegangan suplai (jadi menambah pasokan dengan 2V akan berarti meningkatkan volume drain hampir 2V)

Bagaimana? Meningkatkan pasokan harus meningkatkan V ds hanya dengan Id X Rds (aktif). Mengingat LED akan memiliki penurunan tegangan maju yang hampir sama, maka peningkatan tegangan harus dibagi oleh resistor seri dan perangkat. Karena resistor memiliki nilai yang jauh lebih besar (390 ohm dibandingkan dengan 0,8 ohm perangkat), bagian utama dari penurunan tegangan harus melintasi resistor. Terlebih lagi pasti akan ada peningkatan aliran drain dengan peningkatan resistensi. Kerugian MOSFET dihitung pada kondisi stady saat kuadrat saat ini dikalikan dengan Rds (on). Jadi pengamatan "DRAIN volage akan naik bersama dengan tegangan suplai (jadi menambah pasokan dengan 2V akan berarti meningkatkan volume drain hampir 2V)" tidak benar