1.Khác nhau giữa BJT và FET: BJT là linh kiện lưỡng cực, trong bóng bán dẫn có một dòng mang điện của cả điện tử là hạt tải điện đa số và lỗ trống là hạt tải điện thiểu số . FET là thiết bị đơn cực, trong bóng bán dẫn này chỉ có các dòng điện tử.
2. Vì FET không có lớp chuyển tiếp và tiếp giáp. Nên FET ít nhiễu hơn BJT.
3. FET có trở kháng đầu vào cao hơn nhiều [nhỏ hơn 100 M ohm] và trở kháng đầu ra thấp hơn và có mức độ cách ly cao giữa đầu vào và đầu ra, vì vậy FET có thể hoạt động như một bộ khuếch đại đệm nhưng BJT có trở kháng đầu vào thấp vì mạch đầu vào của nó được phân cực thuận.
4. FET là thiết bị điều khiển điện áp, tức là. điện áp tại cực đầu vào điều khiển dòng điện đầu ra, trong khi BJT là thiết bị điều khiển dòng điện, tức là. dòng điện đầu vào điều khiển dòng điện đầu ra.
5. FET dễ chế tạo hơn nhiều và đặc biệt thích hợp cho IC vì chúng chiếm ít không gian hơn BJT.
6. Hiệu suất của BJT bị suy giảm bởi bức xạ nơtron vì giảm thời gian hoạt động của các hạt mang điện thiểu số, trong khi FET có thể chịu được mức bức xạ cao hơn nhiều vì chúng không hoạt động trên các hạt mang điện thiểu số .
7. Hiệu suất của FET tương đối không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi nhiệt độ xung quanh. nó có hệ số nhiệt độ âm ở mức dòng cao, nó ngăn FET khỏi sự cố nhiệt. BJT có nhiệt độ dương đồng hiệu quả ở mức dòng cao dẫn đến sự cố về nhiệt.
8. FET có tốc độ chuyển mạch và tần số cắt cao hơn. BJT có tốc độ chuyển mạch và tần số cắt thấp hơn.
9.BJT được sản xuất rẻ hơn FET.
BJT ở cùng kích thước vật lý và giá cả thường có thể cung cấp cho bạn tốc độ cao hơn rất nhiều, vì chúng có điện dung ở đầu vào nhỏ .
Các giai đoạn khuếch đại BJT tuyến tính hơn nhiều so với các giai đoạn khuếch đại MOSFET, vì độ lợi không phụ thuộc vào điện áp phân cực.
BJT có khả năng xử lý dòng đầu ra cao hơn cho đầu ra tín hiệu và có thể có trở kháng đầu ra thấp hơn. Trong các bộ khuếch đại nhằm điều khiển tải trở kháng đầu vào thấp hoặc cung cấp lượng công suất đáng kể, đây là một lợi thế rất lớn. Nhiều bộ khuếch đại op-amp chất lượng cao nhất được tạo ra bằng quy trình BiCMOS sử dụng cặp BJT cho giai đoạn đệm đầu ra.
BJT là thiết bị hoạt động bằng dòng điện hơn là hoạt động bằng điện áp. Hầu hết thời gian điều này có nghĩa là tiêu thụ điện năng cao hơn.
BJT Phân cực ngược. Điều này có nghĩa là khit thiết kế bộ khuếch đại không cẩn thận có thể dễ dàng kết thúc với phản hồi dương và do đó không ổn định.
BJT có trở kháng đầu vào thấp hơn. Điều này có nghĩa là thiết bị trở kháng đầu ra cao hơn có thể không kết hợp tốt với đầu vào của bộ khuếch đại BJT.
Khó tạo ra mạch điều tiết dòng qua trở tải tốt từ BJT hơn là FET.
Trở kháng đầu vào cao. Ở tần số thấp, về cơ bản là vô hạn.
Vì các đầu ra được điều khiển bởi điện áp đầu vào thay vì dòng điện đầu vào, chúng tiêu thụ có thể tiêu thụ rất ít điện năng. Lý do khiến logic CMOS thắng thế hơn các công nghệ xử lý khác là tiêu thụ điện năng, kết hợp với khả năng mở rộng. Trong mạch CMOS, công suất gate to gate chỉ được tiêu thụ khi mạch chuyển trạng thái, trong khi các dạng logic khác tiêu thụ điện năng ở vị trí “bật” hoặc “tắt”.
Xem xét rằng hầu hết các mạch kỹ thuật số là CMOS, sử dụng FETS cho thiết kế mạch tương tự rẻ hơn rất nhiều so với sử dụng BJT vì nó không yêu cầu thêm các bước cài đặt khác.
Việc kết hợp bóng bán dẫn với bóng bán dẫn rất đơn giản.
MOSFET dễ thiết kế mạch ổn định hơn. Trừ khi bạn thêm phản hồi, chúng sẽ hoạt động không ổn định.
Không có độ tin cậy cao như BJT, vì độ lợi sẽ thay đổi một chút khi bạn tăng điện áp đầu vào [nghĩa là, nó sẽ tạo ra một số sóng hài rất yếu].
Điện dung đầu vào. Độ lợi càng cao thì điện dung đầu vào càng lớn nhờ hiệu ứng Miller.
Không thể điều khiển tải trở kháng thấp rất tốt.
Độ lợi mỗi phần thấp, thường có nghĩa là cần nhiều tầng khuếch đại hơn để có độ lợi cao hơn, ngay cả khi sử dụng các kỹ thuật thiết kế tiên tiến. Mỗi tầng khuếch đại thêm nhiễu – nghĩa là bạn không bao giờ có thể có được tỷ lệ tín hiệu không có nhiễu ở đầu ra tốt hơn ở đầu vào.
Ở bài viết trước chúng ta đã tìm hiểu chi tiết về transistor BJT là gì. Bài viết hôm nay chúng ta sẽ tìm về một loại linh kiện rất phổ biến khác đó là MOSFET [FET]. Vậy FET là gì? MOSFET là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại, sơ đồ mạch ứng dụng của MOSFET ra sau chúng ta sẽ cùng tìm hiểu nhé.
1. Fet là gì? Mosfet là gì?
FET [Field-effect transistor] là transistor hiệu ứng trường. FET có 2 loại là MOSFET và JFET, trong thực tế MOSFET được sử dụng rộng rãi hơn. Trong bài viết này chỉ tập trung tìm hiểu chi tiết về MOSFET. Như vậy MOSFET là gì?
Mosfet [Fet] là gì
MOSFET [Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor] là loại transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Khác với transistor BJT có cổng điều khiển bằng dòng điện, MOSFET được điều khiển bằng điện áp.
MOSFET đòi hỏi công suất tiêu thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ kích đóng nhanh và tổn hao do đóng ngắt thấp. Tuy nhiên, MOSFET có điện trở khi dẫn điện lớn. Do đó, công suất tổn hao khi dẫn điện lớn làm nó không thể phát triển thành linh kiện công suất lớn. Được sử dụng nhiều trong các ứng dụng công suất nhỏ [vài kW]
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mosfet
– Cấu tạo của MOSFET
Linh kiện MOSFET có thể có cấu trúc pnp và npn. Hình bên dưới mô tả cấu trúc của MOSFET loại npn. Giữa lớp kim loại mạch cổng và các mối n+ và p có lớp điện môi silicon oxid SiO. Điểm thuận lợi cơ bản của MOSFET là khả năng điều khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng xung điện áp ở mạch cổng.
Cấu tạo của MOSFET là gì
– Nguyên lý hoạt động của MOSFET
Khi điện áp dương đặt lên giữa cổng G và Source, tác dụng của điện trường [FET] sẽ kéo các electron từ lớp n+ vào lớp p. Tạo điều kiện hình thành một kênh nối gần cổng nhất, cho phép dòng điện từ cực drain tới cực Source.
3. Đặc tính của Mosfet là gì
3.1 Đặc tính của Mosfet
Đặc tính V-A của linh kiện MOSFET loại n được vẽ như hình bên dưới, có dạng tương tự với đặc tính V-A của BJT. Điểm khác biệt là tham số điều khiển là điện áp kích UGS thay cho dòng điện kích IBE.
Đặc tính V-A của MOSFET
Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục, điện áp UGS để MOSFET dẫn hoàn toàn thường từ 10-15V. Điện áp điều khiển tối đa ± 20V [tùy theo loại], mặc dù thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó.
Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể, trừ khi mạch ở trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng. Lúc đó xuất hiện dòng phóng và nạp của tụ của mạch cổng.
Thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc vào linh kiện. Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện RON thay đổi phụ thuộc vào khả năng chịu áp của linh kiện. Do đó, linh kiện MOSFET thường có định mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít.
Tuy nhiên, tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với định mức áp từ 300-400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số vài chục kHz.
MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục Ampe. Hay với mức điện áp vài trăm Volt với dòng điện cho phép khoảng 100A.
3.2 Các thông số đặc trưng của Mosfet
|
Tên |
Điện áp định mức lớn nhất |
Dòng trung bình định mức |
RON |
Qg đặc trưng |
|
IRFZ48 |
60V |
50A |
0.018 Ω |
110nC |
|
IRF510 |
100V |
5.6A |
0.54 Ω |
8.3nC |
|
IRF540 |
100V |
28A |
0.077 Ω |
72nC |
|
APT10M25BNR |
100V |
75A |
0.025 Ω |
171nC |
|
IRF740 |
400V |
10A |
0.55 Ω |
63nC |
|
MTM15N40E |
400V |
15A |
0.3 Ω |
110nC |
|
APT5025BN |
500V |
23A |
0.25 Ω |
83nC |
|
APT1001RBNR |
1000V |
11A |
1.0 Ω |
150nC |
Trong đó Qg là lượng điện tích được nạp và phóng từ điện dung ở ngõ vào khi thực hiện kích đóng và ngắt transistor. Công suất tổn hao mạch cổng phụ thuộc vào đại lượng Qg theo hệ thức: PG = Qg.UGS.fS; trong đó fS là tần số đóng ngắt transistor.
Tham khảo Datasheet Mosfet kênh N IRF540
4. Phân loại Mosfet
Có 2 loại MOSFET thông dụng: là MOSFET kênh N và kênh P
Phân loại MOSFET là gì
– MOSFET kênh N: Điện áp điều khiển mở MOSFET là UGS > 0, dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Sơ đồ mạch kiểm tra MOSFET kênh N được trình bày như hình bên dưới.
Sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động mosfet kênh N
Mạch kích dùng Diode Zener 12V để cố định nguồn điện áp 12V, điện trở R1 hạn dòng cho Zener. Khi biến trở RV1 thay đổi giá trị từ 0 – 10k thì điện áp ở UGS sẽ thay đổi từ 0 – 12V. Và qua mô phỏng ta thấy được:
+ Khi điện áp kích UGS > 4V thì MOSFET bắt đầu dẫn.
+ Khi điện áp UGS>10V thì điện áp UDS = 0,25V không thay đổi [MOSFET dẫn bão hòa].
Video mô phỏng mạch:
– MOSFET kênh P: Điện áp điều khiển mở MOSFET là UGS < 0, dòng điện sẽ đi từ S đến D
Sơ đồ mạch kiểm tra MOSFET kênh P được vẽ như hình bên dưới.
Sơ đồ mạch tìm hiểu hoạt động Mosfet kênh P
Tương tự như mạch kích MOSFET kênh N, dùng diode Zener 12V để tạo nguồn điện áp 12V. Khi biến trở RV1 thay đổi giá trị từ 10K – 0 Ohm thì điện áp UGS = -USG thay đổi từ 0 – 12V. Qua mô phỏng ta thấy được:
+ Khi điện áp USG > 4V thì MOSFET kênh P bắt đầu dẫn.
+ Khi điện áp USG > 10V thì MOSFET dẫn bão hòa.
Video mô phỏng mạch:
5. Một số mạch ứng dụng mosfet
5.1 Mạch điều khiển mosfet bằng công tắc
Mạch đơn giản sử dụng công tắc điều khiển MOSFET, thông qua đó điều khiển một bóng đèn một chiều có điện áp cao. Phần công suất sử dụng điện áp DC 50V và phần điều khiển sử dụng điện áp DC 12V.
+ Khi công tắc mở: điện trở kéo xuống R1 sẽ kéo điện áp UGS về 0V, do đó MOSFET không dẫn điện.
Công tắc mở, đèn tắt
+ Khi công tắc đóng: điện áp UGS = 12V, kích MOSFET dẫn bão hòa như một công tắc đóng, nên đèn sáng.
Công tắc đóng, đèn sáng
5.2 Điều khiển mosfet bằng mạch đệm transistor npn
Mạch bên dưới điều khiển MOSFET bằng mạch đệm dùng thêm transistor npn. Transistor đóng vai trò như một công tắc giống như ở mạch trên.
Điều khiển mosfet dùng mạch đệm transistor
+ Khi áp điều khiển U1 ở mức thấp thì transistor Q2 mở, điện áp UGS = 12V do đó kích dẫn MOSFT.
+ Khi áp điều khiển U1 ở mức cao thì transistor Q2 đóng, điện áp UGS = 0V, MOSFET không dẫn điện.
Ưu điểm của mạch này là mạch xung điều khiển có điện áp mức cao chỉ từ 3.3V hay 5V, ngõ ra phù hợp cho các loại vi điều khiển hiện nay.
Nhược điểm là không phù hợp cho ứng dụng ở tần số quá cao, do tụ ký sinh bên trong MOSFET sẽ làm chậm khả năng đóng ngắt của MOSFET. Để giải quyết vấn đề này chúng ta sẽ tìm hiểu mạch ứng dụng tiếp theo.
5.3 Điều khiển mosfet dùng mạch đệm totem-pole
Sơ đồ mạch cải thiện sử dụng cấu trúc totem-pole gồm 2 transistor NPN và PNP.
Điều khiển MOSFET dùng mạch đệm totem-pole
+ Khi điện áp kích U1 ở mức cao Q2 dẫn và Q3 khóa làm MOSFET dẫn.
+ Khi tín hiệu điện áp U1 ở mức thấp thì Q2 ngắt, các điện tích của tụ ký sinh trên mạch cổng được phóng thích, đồng thời Q3 dẫn. Kéo điện áp UGS nhanh về 0V, do đó MOSFET không dẫn.
Ưu điểm của mạch này là đáp ứng được tín hiệu có tần số cao, tuy nhiên mạch khá phức tạp.
Do tính chất nhạy cảm của các loại vi điều khiển, nên người ta thường sử dụng opto để cách ly mạch điều khiển và mạch công suất.
5.4 Mạch điều khiển MOSFET có cách ly
Mạch bên dưới sử dụng opto PC817 để cách ly phần mạch điều khiển và mạch công suất. Mạch phát xung có thể sử dụng vi điều khiển, hay các mạch phát xung PWM. Ở đây tôi sẽ sử dụng mạch IC555.
Sơ đồ mạch điều khiển MOSFET có cách ly
Nguyên lý mạch điện như sau:
+ Khi điện áp ngỏ ra của mạch IC555 ở mức thấp, Led opto sẽ sáng và làm transistor trong opto dẫn điện. Làm kích dẫn Q3, ngắt Q2, điện áp UGS = 0V nên MOSFET không dẫn điện.
+ Khi điện áp ngỏ ra của mạch IC555 ở mức cao, Led opto tắt nên transistor bên trong opto mở. Điện áp 12V thông qua điện trở R1 làm kích dẫn transistor Q2, kéo theo MOSFET dẫn điện.
Mạch mô phỏng trên phần mềm Proteus
Mạch điều khiển này còn có một khuyết điểm là không thể đảo điều được động cơ một chiều. Do đó đối với ứng dụng cần đảo chiều người ta sử dụng mạch cầu H.
5.5 Mạch cầu H sử dụng 4 mosfet kênh N
Nguyên lý điều khiển tốc độ động cơ bằng mạch cầu H dùng MOSFET là điều khiển kích dẫn từng cặp MOSFET để thay đổi chiều dòng điện chạy trong động cơ.
+ Giả sử khi Q1 và Q4 cùng dẫn thì động cơ quay theo chiều thuận.
+ Khi Q2 và Q3 cùng dẫn thì động cơ quay theo chiều ngược lại.
Mạch cầu H sử dụng 4 Mosfet kênh N
Lưu ý:
+ Hai MOSFET ở cùng một cột [Q1 và Q2, Q3 và Q4] không được dẫn cùng lúc vì sẽ gây ra ngắn mạch.
+ Để MOSFET dẫn hoàn toàn thì phải đảm bảo điện áp kích UGS của từng MOSFET từ 12-18V.
+ Ta thấy ở hai MOSFET Q1 và Q3 điện áp cực S luôn thay đổi, để ổn định điện áp kích UGS người ta sẽ sử dụng mạch Bootstrap. Trong mạch này tôi sẽ dùng IC lái IR2103 để điều khiển kích dẫn các MOSFET.
Chi tiết về mạch cầu H sử dụng MOSFET mình đã trình bài rất chi tiết trong bài viết dưới đây các bạn có thể tải về để tham khảo.
Bạn cũng có thể xem video mô phỏng mạch cầu H tại đây
>>> Xem thêm:
Tài liệu tham khảo
Giáo trình điện tử công suất – Nguyễn Văn Nhờ
Giáo trình linh kiện điện tử – Đại học GTVT
Download giáo trình, tài liệu tham khảo tại đây