MOSFET I. rész

A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) az elektronika világának egyik sokoldalú alkatrésze, amelyet elsősorban erősítőkben és kapcsolókban használnak. Bár a tranzisztorok között kevésbé ismert, a MOSFET kiemelkedő szerepet játszik a modern áramkörökben, különösen az analóg és digitális integrált áramkörökben. A MOSFET működése egyszerű, mégis hatékony: feszültséggel vezérelhető, és a kapu (gate) vezérlésével szabályozható a forrás (source) és a nyelő (drain) közti áram. Ez a tulajdonság különösen alkalmassá teszi nagy áramok kezelésére mikrokontrolleres alkalmazásokban. Azonban a MOSFET-ekkel való munka során fontos figyelembe venni a hőtermelést és a hőleadás optimalizálását, mivel az elégtelen hűtés az eszköz meghibásodásához vezethet. Ez az áttekintés bevezetést nyújt a MOSFET-ek működésének és alkalmazásának alapjaiba, miközben rávilágít a technikai részletek és a gondos tervezés fontosságára. A MOSFET az erősítők egyik érdekes komponense, mely egyben praktikus és hasznos – ám már néhány évtizedes múltra tekint vissza és valahogyan a tranzisztor mellett nem annyira ismert….

A MOSFET előzmények

Rövid bemutatás a Wikipedia szócikkből:
„Szigetelőréteges térvezérlésű tranzisztor vagy MOSFET
A MOSFET (Metal Oxide Semiconductor, magyarul: fém-oxid félvezető) a belső rétegeinek sorrendje, míg a FET (Field Effect Transistor, magyarul: térvezérlésű tranzisztor), a tranzisztor működési elvére utal. A modern (mind analóg, mind digitális) integrált áramkörök döntő többsége MOS tranzisztorokból épül fel.

A működése során a töltéshordozók forrása a Source, a töltéseket a Drain nyeli el. A csatornában folyó áramot a kapuelektróda, a Gate vezérli. Ezt az elektródát szigetelő réteg (általában szilícium-dioxid) választja el a csatornától. A vezérlőelektródán keresztül gyakorlatilag nem folyik áram, a tranzisztor árama a csatornában folyik.

Kétféle FET létezik. A „növekményes” vagy „önzáró” típus csatornáján csak akkor folyik áram, ha a Gate elektróda feszültséget kap. A „kiürítéses” vagy „önvezető” típus esetén a Gate-re kapcsolt feszültség a csatorna áramát csökkenti (ún. p-FET illetve n-FET). Fontos! A szigetelő oxidréteg átütési szilárdsága alacsony, mivel igen vékony a kiképzése, ezért a diszkrét MOS tranzisztort védeni kell az elektrosztatikus feszültségektől, amelyek tönkre tudják tenni az alkatrészt (ez ~15V). A gyártás, felépítés és a gyártástechnológia az angol nyelvű Wikipedia oldalán érhető el.

A MOSFET egy kicsit hasonlít a bipoláris (hagyományos) tranzisztorokra. Többféle FET (térvezérlésű tranzisztor) létezik, ezeket az áramköri jelük különbözteti meg (most mi a MOSFET-eket járjuk körbe):

Az N-csatornás MOSFET a leggyakoribb és az NPN tranzisztorra hasonlít. Az áram a felső rész felől (D – drain/nyelő) a lenti kivezetése (S – source/forrás) áramlik. Mindezt a harmadik kivezetés (G – gate/kapu) kontrollálja. A legnagyobb különbség a bipoláris tranzisztor és a MOSFET közt, hogy míg az előbbit árammal vezérelhetjük, ez utóbbit feszültséggel. A MOSFET-ben a Gate és a csatorna közt nem is folyik áram. Csak feszültséget érzékel. Úgy tudjuk modellezni, mintha a kapuban egy soros kondenzátor lenne.
Korábban a tranzisztort úgy modelleztük, hogy egy vízikerék melyet tekerve a víz áramlani kezd.

A MOSFET ilyen vízkörös analógia esetén egy rugalmas cső: elszoríthatjuk és elengedhetjük. Áramlani semmiféle folyadék nem áramlik a belső és külső fala közt. A külső elszorítóerő egyszerűen csak a külső nyomás. Ha nyomjuk – az áramlás csökken, ha elengedjük: nő. Ez meg is magyarázza, hogy a tranzisztor miért nem vezet, hogyha a a bázisa nincs bekötve (nincs bejövő áramlás). A MOSFET nyitását a gate kivezetésen át felhalmozódott töltés biztosítja – így szabadon hagyva bizonytalan állapotba kerül, de a halmozódó töltések lassan kinyitják!

A korai MOSFET-ek sűrűn haláloztak el sztatikus töltések hatására – elég volt a Gate kivezetést kézzel megérinteni. Mára az eszközök – szerencsére – ESD (sztatikus töltés ellen) védettek. A MOSFET-ek mikrokontrolleres alkalmazásokban ideálisak nagy áramok kapcsolására: hiszen a kontroller kimenetén csak a feszültség számít! Az Arduino 4.5..5V felszültségű kimenete már általában elegendő a MOSFET nyitásához, míg a 3..3.3V sokszor még kevés. Ezért ilyen esetben, ahol lehet ún. Logic-level MOSFET használata javasolt.

MOSFET kapcsoló

A legegyszerűbb MOSFET kapcsoló így néz ki lerajzolva:

A beépített típus a IRLZ34N lett, melynek a gyártói adatlapja elég beszédes: IRLZ34N – International Rectifier (adatlap). Az adatlap egész használható, hiszen csak 10 oldal! Kellően részletes, tele grafikonokkal, rajzokkal, leírásokkal… Bárcsak minden adatlap ilyen lenne….
Ha jól meggondoljuk: az adatlap nem más, mint egy kulcs az elektronikához. E nélkül is el lehet boldogulni, de csak olyan ajtón és úton mehetünk biztonsággal, ahol mindenki jár. De akkor hol marad a felfedezés öröme?

Minden adatlap kulcsa az alkatrész típusszáma. Ha ezt tudom, minden információt tudok..

Adatlap elemzése

Az első fejezet valahogy így néz ki:

És mit látunk belőle?
– Logic-level: remélhetőleg megy 3.3V-ról (Logikai jelszinttel vezérelhető)
– V_DSS = 55V : maximálisan kapcsolható feszültség. Csodás! Úgyis 24V felett nem szívesen használunk semmit…
– R_DS(on) : Na, erről később beszélünk…
– I_D=30A : 30A kapcsolható. Tuti bolt!
– 175°C : azaz eddig jól bírja a meleget.

Áttekintésként – jónak tűnik. Bár sok az ismeretlen kifejezés, de majd megvilágosodik…
Akkor sorjában…

Részletesen az adatlap

Látható a maximális feszültség és a maximális áram. Na ezek azok a paraméterek, amik az eszközön némi meleget fognak generálni. Vagy megsütünk mindent. De hogyan is történik?

A hőtermelés mennyisége a kapcsolóelemen eső feszültség * átfolyó áram (P=U * I). A feszültség az a MOSFET-en eső feszültséget jelenti. De persze ezt nem ismerjük közvetlenül, és itt még a 0.7V-os ökölszabály sem igaz, mint a tranzisztornál. Ahhoz, hogy megtudjuk ezt, az R_DS(on) ismeretére van szükség: Ez pedig nem más, mint a drain és a source közti csatorna-ellenállás – tejesen nyitott állapotban.

Ez az adatlap szerint 0.035 ohm.

Az ohm törvény alapján pedig: R=U/I → U=I*R, így az átfolyó áram lesz a befolyásoló tényező.
Ha a két korábbi egyenletet kombináljuk, akkor valami ilyesmit kell kapnunk: P=U*I és U=I*R ⇒ P=I²*R. Azaz szavakkal: átfolyó áram négyzetével arányos a hőtermelés. 2x nagyobb áram büntetése a 4x nagyobb hőtermelés!
Számoljunk: ha 30A-t kergetünk át a MOSFET-en, akkor 30A * 30A * 0.035 ohm = 31.5W hőt termelünk. Soknak tűnik, hiszen ennyi energiával már világítani szoktak! (Kb. ennyi hőt termel egy 40W-s hagyományos izzólámpa is!)

És mégis hogyan működik, hogyan számoljuk a MOSFET hőtermelését?

A működéshez némi hőtani számításra van szükség….
Mert mi történik ennyi hővel? Megenni nem fogja semmi az energiát: így fűteni fog, így vagy úgy leadja a környezetének. De mennyire lehetséges a hőleadás?
Az adatlapban erre van egy érdekes információ:

Először nézzük meg az utolsó értéket: R_θJA : a félvezető lapka és a környezet közti hőellenállás: 62 fok/W. Más szavakkal: minden Wattnyi energia ami a belső félvezetőben keletkezik, 62 fok hőemelkedési jelent a burkolaton, ha az eszközünk szabadon áll.

Számoljunk csak: 31.5W x 62 fok = közel 2000 fok! Hát ebből sültFET lesz így…

Valahogyan meg kéne oldani az eszköz masszív hűtését. A hőmérsékletnek nem szabad ennyire megemelkednie.
Szerencsére két megoldás is van erre. Mindkét megoldásnak az az alapja, hogy a hőellenállást csökkenteni kell, így a keletkező hőenergia könnyebben eltávozik a FET belsejéből. Ez egyszerű(nek tűnik):

Rajzold le, hogyan helyezed ez a FET-et,
Minden lépésben határozd meg a fajlagos hőellenállást,
Az így eredő hőellenállással számolj tovább…
Ha a kiszámított hőfok a biztonságos működési határ alatt van: nyert. (Például 175 fok túl meleg még a műanyag tokozásnak és a belső szerkezeteknek.)

A hőellenállás egyszerűen kiszámítható: az egyes rétegek hőellenállásait összeadjuk (mint az eredő ellenállás, soros kapcsolásnál).

101 mosfet hutoborda - Cseh Robert / TavIR - MOSFET — Hőfokok az egyes területeken: FET-félvezető (Tj); FET-tokozat (Tc); levegő/vezetőzsír (Ts); Hűtőborda (Ta)

Ez egy egyszerű példa, hogy működhet-e a FET-ünk vagy sem: példaképp számoljunk, hogy mi van akkor, ha egy (nagyon jó) hűtőbordára rakjuk a kapcsolóelemet. A hűtőborda adatlapjából a borda hőellenállása csak 6 fok/W. Így a rendszerünk eredő hőellenállása: 2.2 fok/W (R_θJA: adatlapból a félvezető és tokozás közti érték) + 0.5 fok/W (a tok és hűtőborda közt – hűtőzsír/hővezető szilikonlap adatlapjából) + 6 fok/W (hűtőborda – levegő közt) = az egész rendszer 8.7 fok/W hőellenállású.
Ez 30A esetén számolva: 31.5W * 8.7 fok/W = 274 fok. Azaz sültchip – van már megint. 🙁

Számolási hiba?

Adjuk lejjebb az igényeket… Mondjuk 15A-re. Így a hőtermelés a FET belsejében: 15A * 15A * 0.035 Ohm = 7.9W. Hűtőborda nélkül 7.9W * 62 fok/W = 490 fok a tokozat külső felületén.
Nem nyert – még túl forrók. Ám, ha hozzászámoljuk, hogy van hűtőborda is a tarsolyunkban: 7.9W * 8.7 fok/W = 69 fok. Hurrá! Működik!
Fontos! Ezek az értékek relatív értékek. Azaz a 69 fok azt jelenti, hogy ennyi hőfokemelkedést engedünk meg. Ez a 25 fokos szobában így már 94 fok lesz! Tényleg meleg, de ez MOSFET (ami 175 fokig működik) és nem kell kézzel tapizni sem a felületet :). Más szóval: használj MOSFET-et, tedd nagy hűtőbordára és egy pici kontrollerrel 15A-t egyszerűen kapcsolgathatsz! Így egy motor, ami 15A csúcsáramot vesz fel, simán vezérelgethető. Ez a csodás a MOSFET-ben…

Vigyázz! Légy óvatos a hűtőbordával. A számolásokban szabadon álló bordával számoltunk – ha bedobozolod, akkor a dobozban a hőfok emelkedni kezd – azaz a környezeti hőmérséklet emelkedésnek indul! És a 69 fokos hőemelkedés ehhez a környezeti hőfokhoz adódik hozzá! Azaz szépen növekedni kezd. És nem kell sok idő egy termikus megfutáshoz: a mag melegszik, a tok melegszik, a mag még jobban melegszik…. Amíg a katasztrófa be nem következik. Persze, nem egy Csernobil. Csak kijön a működtető füst. Azért légy óvatos!

Kezdünk ismerkedni a MOSFET-tel, így egy kicsit a hőtermelésbe, egy kicsit az energiavesztesség témakörébe beleláthattál. És annyira azért nem komplex ez a terület, mint amennyire misztifikált. Nem egy hátrány ha tudjuk, hogy teszteléskor a képünkbe robban a FET vagy egyszerűen csak teszi a dolgát…

Fontos! Műszakilag legalább kétszeres biztonsági tartalékkal számolj. Vagy vedd a lehető legrosszabb esetet és az legyen a tervezés határa. Így „ökölszabályok alapján” a legrosszabb működési esetben sem hibásodik meg a tervezett eszközöd.

De még egy dolog van, amit a szőnyeg alá söpörtünk:

Mielőtt alkalmaznád a MOSFET-et kapcsolóként: az adatlapban az általunk alapul vett adatok 10V gate feszültségre vonatkoznak (lásd: V_GS @ 10V), míg nekünk ez csak 5V vagy 3.3V lehet. Sőt a gyors ki/bekapcsolás is okozhat még problémát. Ezek kezelése is kivédése a következő leckében kerül terítékre….