MOSFET nedir? Ne işe yarar?

MOSFET ÇeşitleriBu yazıda MOSFET’in çalışma bölgelerinden ve işlevlerinden bahsedilecektir. MOSFET’ler, üç terminalli elektronik anahtarlardır. MOSFET prensibi 1925 yılında patentlenmiş fakat üretimi 1960’lara kadar uzamıştır. MOSFET ismi bir akronimdir. ‘MOS’ kısmı, MOSFET’in metal oksit (SiO2) Gate’ini belirtirken; ‘FET’ kısmı, iletim-kesim yöntemi olarak elektrik alanın kullanıldığını belirtir. Genel olarak 4 adet MOSFET çeşidi vardır. İki ana çeşit, N kanal ve P kanal MOSFET’lerdir. N kanal ve P kanal,  MOSFET’in uygun polarmalanma (kutuplanma) gerilimleriyle ilgilidir. İki alt çeşit ise Enhancement (Artımlı) ve Depletion (Azaltımlı) MOSFET’lerdir. Enhancement MOSFET’ler, normalde açık devreyken; depletion MOSFET’ler, normalde kapalı devredirler. Bu yazıda genel anlatım, N kanal Enhancement MOSFET’ler üzerine olacaktır.

MOSFET’in Gate (Kapı) terminali ile diğer iki terminal arasında çok ince bir metal oksit yalıtkan bölge bulunur.  Arada yalıtım olması, Gate’in bir kondansatör gibi davranmasına yol açar. Gate terminaline gerilim uygulandığında, bu kondansatör şarj olmaya başlar ve gate ile diğer iki terminal arasında bir elektrik alan oluşur. Bu sayede Drain (Savak) terminalinden Source (Kaynak) terminaline doğru kondüktans (iletkenlik) artar. Bu açıdan, çalışma prensipleri triode (vakum tüpleri) ile benzerdir. Gate gerilimi ile Drain-Source direnci kontrol edilir. BJT’lerin aksine sabit bir kolektör-emitör gerilim düşümleri yoktur. Bu yüzden dirençlere benzerler. Genel olarak MOSFET’ler gerilim kontrollü direnç elemanlarıdır.

 

Kutuplandırma

N kanal enhancement bir MOSFET, uygun kutuplandırmalarla iletim, kesim ve lineer bölgede çalışabilir. Kesim modunda, Drain-Source arası direnç çok yüksektir (birkaç 10 mega ohm). Bu sebeple Drain’den Source’a akım akmadığı kabul edilir. MOSFET’in kesim modunda çalışabilmesi için, VGS  < Vth olmalıdır. Vth gerilimi, threshold (eşik) gerilimidir ve genel olarak 2V-4V arasıdır.

VGS gerilimi, Gate ve Source terminalleri arasındaki gerilimdir. VGS – Vth gerilim farkı ise kısaca VOV (overdrive voltage) olarak adlandırılır.  VOV gerilimi sıfırdan büyük olduğu andan itibaren, MOSFET’in Drain-Source direnci (RDS) düşmeye başlar ve Drain’den Source’a doğru akım akmaya başlar.

MOSFET iletime geçtikten sonra iki bölgede çalışabilir. Ohmik Mod veya Direnç Modu da denilen Lineer Mod ve Doyum yani Aktif Mod. MOSFET’in Drain ve Source terminalleri arasındaki potansiyel fark VDS olarak adlandırılır. N kanal enhancement bir MOSFET’in normal kullanımda Drain geriliminin Source geriliminden yüksek olması beklenir. Aksi taktirde MOSFET’in Source-Drain arasında bulunan Body (Vücut) Diyodu iletime geçer ve MOSFET bir diyot gibi davranır. MOSFET iletime geçtikten sonra VDS gerilimi VOV geriliminden küçük olursa MOSFET Lineer Modda, VDS gerilimi VOV geriliminden büyük olursa MOSFET Aktif Modda çalışır. Başka bir deyişle MOSFET’in gate gerilimi VDS geriliminden en fazla Vth kadar büyük olursa, MOSFET aktif modda çalışır.

MOSFET’ler, genelde aktif modda çalışmak üzere kullanılırlar. Aksi taktirde üzerlerinde fazla güç harcayıp ısınırlar. Bu yazıda, MOSFET’lerin Aktif Mod ve Kesim Modu çalışmalarını inceleyeceğiz.

 

MOSFET’lerin Anahtarlama Elemanı Olarak Çalışması

İletim-Kesim modunda çalışan bir MOSFET

Solda görülen devrede MOSFET, Aktif ve Kesim modlarında çalışmak üzere kutuplandırılmıştır. Bu çalışma modunda MOSFET bir anahtar gibi davranır. Butona basıldığında; VGS gerilimi VBAT gerilimine, VDS gerilimi ise VBAT – VLOAD gerilimine eşit olacaktır. VBAT ve VLOAD gerilimleri uygun şekilde seçildiğinde, LED üzerinden akım akacak ve yanacaktır. İlerleyen bölümde datasheet üzerinden gerekli parametreleri okuyarak devreyi tamamlayacağız. Buton bırakıldığında, Gate terminali RGate üzerinden toprağa bağlanacak ve VGS = 0 ≤ Vth olacağından, MOSFET kesime giderek LED’i söndürecektir.

Şekildeki devre gerçek hayatta kullanışsız bir devredir. MOSFET kullanmadan; 1 batarya, 1 buton, 1 direnç ve 1 LED ile de aynı işi yapan bir devre yapılabilir. Fakat LED yerine 2000 Watt’lık bir ısıtıcı rezistans kullanmak istendiğinde, basit bir push buton yeterli akımı sağlayamaz. Ayrıca bu rezistansın PWM ile sürülmesi istenirse, herhangi bir mekanik anahtarla yeterli akım sağlanabilse dahi yeterli hızda (20 kHz ve üzeri) anahtarlama yapılamaz. MOSFET’ler, bu ihtiyaçlara cevap veren kullanışlı devre elemanlarıdır. Güç elektroniği devrelerinde sıklıkla kullanılırlar. (bkz:Step-Up devresi)

Diğer tüm devre elemanları gibi MOSFET’ler de ideal davranış sergilemezler. Frekans ile doğru orantılı olarak artan anahtarlama kayıpları ve Gate akımı, statik elektriğe dayanıksız Gate yalıtkanı (elinize aldığınızda dahi bozulabilir), şarj – deşarj edilmek zorunda olan Gate kapasitansı ve lojik devreler için uyumlu olmayan Vth gerilimi (Bu devrelerde Logic Level MOSFET’ler kullanılır.) MOSFET’li devrelerin kullanımını güçleştirir.

MOSFET’in Su Modeli

MOSFET’li devreleri optimum şekilde tasarlayabilmek için MOSFET’in çalışma prensibini anlamak önemlidir. Yukarıdaki animasyonda MOSFET’in çalışma prensibi su ile modellenmiştir. İdealde sıfır kabul edilen Gate akımı, animasyonda görüldüğü üzere Gate kapasitesi şarj olana dek sıfırdan büyüktür. Ayrıca Gate kapasitesi deşarj edilmediği sürece MOSFET iletimde kalır. Bu sebeple MOSFET’lerde gate terminali floating (yüzen) şekilde serbest bırakılmaz ve görece yüksek (birkaç on kΩ) bir dirençle toprağa çekilir.

 

MOSFET’lerde Anahtarlama Kayıpları

İdeal anahtarın akım-gerilim grafiği

MOSFET’lerin anahtarlama elemanı olarak kullanımından bahsettik. İdealde anahtarlar, ON durumunda akım geçiren ve OFF durumunda yalıtıma giderek akımı kesen devre elemanlarıdır. Yukarıdaki grafikte; anahtar ON durumundayken iletken olduğundan üzerinde gerilim düşümü olmaz. OFF durumundayken açık devre olduğundan, tüm gerilim üzerinde düşer ve akım geçişi sıfır olur. P=V*I formülünden, anahtar ON durumundayken gerilim, OFF durumundayken de akım sıfır olur ve ikisinin çarpımı olan güç her zaman sıfır olur. Gerçekte ise grafikteki gibi keskin iniş ve çıkışlar mümkün değildir. Akım ve gerilim, rampa şeklinde iner ve çıkar. Ayrıca MOSFET’in Gate kapasitansı ve Gate terminaline giden iletkenin endüktif etkisi de hesaba katıldığında, sonuçlar grafikten farklı olacaktır.

MOSFET akım-gerilim grafiği

Soldaki grafikte MOSFET’in akım ve gerilim grafiği verilmiştir. Görüldüğü üzere, MOSFET iletime geçtiği anda akım rampa şeklinde yükselmiş ve gerilim, osilasyon yaparak sıfıra yaklaşmıştır. Yine MOSFET kesime giderken akımın sıfıra yaklaşması belli bir gecikme ile gerçekleşmiş ve altta kırmızı renkle belirtilmiş güç bileşeni, sıfırdan farklı değerler almıştır. Bu sebeple MOSFET üzerinde güç harcandığı söylenebilir. Harcanan güç, frekansın artması ile bilrikte artacak ve MOSFET’in daha fazla ısınmasına sebep olacaktır. Bu güce, anahtarlama kayıpları denir.

 

Bu yazımızda genel olarak MOSFET’ten ve anahtarlama elemanı olarak kullanımından bahsettik. Bir sonraki yazımızda, katalog bilgilerini okumayı ve bir mosfeti uygun şekilde sürmeyi ele alacağız.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.