Tryby pracy MOSFET
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) jest rodzajem tranzystora, którego działanie opiera się na efekcie pola elektrycznego. MOSFET ma trzy główne terminale: bramkę (gate), dren (drain) i źródło (source).
Działanie MOSFET zależy od napięć przyłożonych do tych terminali, a zwłaszcza od napięcia między bramką a źródłem (VGS) oraz napięcia między drenem a źródłem (VDS). W zależności od tych napięć tranzystor może działać w różnych trybach pracy. Do najczęściej spotykanych trybów pracy MOSFET należą tryb odcięcia (cutoff), tryb liniowy (triode) oraz tryb nasycenia (saturation).
Tryb odcięcia (Cutoff)
Tryb odcięcia występuje, gdy napięcie między bramką a źródłem (VGS) jest mniejsze niż napięcie progowe (Vth) tranzystora. W tym przypadku MOSFET działa jak włączony wyłącznik, ponieważ nie tworzy kanału przewodzącego między drenem a źródłem. Skutkiem tego jest brak przepływu prądu przez tranzystor. MOSFET w tym trybie jest w pełni „wyłączony” i nie przewodzi prądu.
W trybie odcięcia MOSFET nie przewodzi prądu, ponieważ napięcie VGS nie jest wystarczająco wysokie, aby wytworzyć kanał przewodzący. Jest to typowy stan tranzystora w cyfrowych układach logicznych, gdzie MOSFET działa jako przełącznik, który umożliwia realizację stanów logicznych 0 (wyłączony) i 1 (włączony) w układach cyfrowych.
Tryb liniowy (Tryb triody)
Tryb liniowy, znany również jako tryb triody, występuje, gdy napięcie między bramką a źródłem (VGS) jest większe niż napięcie progowe (Vth) tranzystora, a napięcie między drenem a źródłem (VDS) jest mniejsze niż różnica między VGS a Vth (VDS < VGS – Vth). W tym trybie MOSFET działa jako zmienna rezystancja, która jest kontrolowana napięciem bramki. Prąd przepływający przez tranzystor zależy od napięcia VDS, ale w tym przypadku jest proporcjonalny do napięcia.
W trybie liniowym MOSFET pełni funkcję regulowanej rezystancji, podobnej do zmiennego opornika, w którym prąd płynący przez dren (ID) jest zależny od napięcia VDS. Ten tryb pracy MOSFET jest używany głównie w układach analogowych, takich jak wzmacniacze, gdzie ważna jest kontrola nad przepływającym prądem. MOSFET w trybie liniowym charakteryzuje się tym, że prąd i napięcie są ze sobą liniowo powiązane.
Tryb nasycenia (Tryb aktywny)
Tryb nasycenia, znany także jako tryb aktywny, występuje, gdy napięcie bramki względem źródła (VGS) jest wyższe niż napięcie progowe (Vth) i napięcie między drenem a źródłem (VDS) jest większe niż różnica między VGS a Vth (VDS > VGS – Vth). W tym trybie MOSFET jest w pełni „włączony” i działa jak wzmacniacz prądowy, w którym prąd płynący przez dren jest kontrolowany przez napięcie VGS, ale jest praktycznie niezależny od napięcia VDS (o ile VDS jest wystarczająco duże).
W trybie nasycenia MOSFET pracuje jak aktywny wzmacniacz, w którym prąd przepływający przez dren jest głównie zależny od napięcia bramki, a nie od napięcia dren-źródło. Ten tryb jest powszechnie używany w układach analogowych, takich jak wzmacniacze, gdzie ważna jest liniowa kontrola prądu w odpowiedzi na napięcie. Jest to najczęściej wykorzystywany tryb MOSFET w aplikacjach wzmacniających sygnały.
Tryb źródła prądowego
W trybie źródła prądowego MOSFET działa tak, aby utrzymać stały prąd, niezależnie od zmian napięcia VDS. Tryb ten jest często wykorzystywany w układach, które wymagają stabilnego źródła prądowego, takich jak układy zasilania i regulacji prądu. W tym trybie MOSFET może być ustawiony w trybie nasycenia, gdzie prąd jest kontrolowany przez napięcie bramki, a napięcie VDS automatycznie dostosowuje się w celu utrzymania pożądanego prądu.
Tryb źródła prądowego w MOSFET jest wykorzystywany w aplikacjach, w których wymagane jest utrzymanie stałego prądu, co jest szczególnie przydatne w układach zasilających i konwerterach mocy. Takie zastosowanie jest powszechne w systemach zarządzania energią, gdzie precyzyjne utrzymanie prądu jest kluczowe dla optymalnej pracy urządzeń.
Tryb przełączania
W trybie przełączania MOSFET działa jako przełącznik, który może szybko przełączać się pomiędzy stanem włączonym i wyłączonym. Ten tryb jest wykorzystywany w układach cyfrowych i logicznych, gdzie MOSFET pełni funkcję przełączania sygnałów. W tej pracy tranzystor ma bardzo niski opór w stanie włączonym i bardzo wysoki opór w stanie wyłączonym, co umożliwia realizację logicznych stanów 0 i 1.
Tryb przełączania jest powszechnie wykorzystywany w cyfrowych układach logicznych, takich jak bramki logiczne, rejestry i inne układy, które wymagają szybkiego przełączania między stanami. Jest to istotne dla wydajności procesorów oraz innych układów cyfrowych, gdzie szybkie działanie i minimalne straty energii są kluczowe dla funkcjonowania systemu.
Tryby pracy MOSFET, takie jak tryb odcięcia, tryb liniowy oraz tryb nasycenia, dają szerokie możliwości zastosowania tego tranzystora w różnych aplikacjach. MOSFET jest wyjątkowo elastycznym elementem elektronicznym, który znajduje zastosowanie zarówno w układach analogowych (np. wzmacniacze), jak i cyfrowych (np. układy logiczne). Dzięki swojej zdolności do szybkiego przełączania i wysokiej efektywności energetycznej, MOSFET jest kluczowym elementem nowoczesnych systemów elektronicznych.
