MOSFET

Questo articolo sui transistor a effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) si basa sulle lezioni del pezzo precedente "Cos'è un diodo?" (ELEVATOR WORLD, 2014 agosto).

I transistor ad effetto di campo a semiconduttore a ossido di metallo (MOSFET) sono simili ai transistor ad effetto di campo a giunzione (JFET) precedenti. In un MOSFET, il gate è isolato dal resto del dispositivo da uno strato di biossido di silicio. (In origine, il materiale isolante era un ossido di metallo. Nonostante il cambiamento, il vecchio nome persiste.) Se capisci come funziona strutturalmente ed elettricamente il cancello isolato e tutte le implicazioni che seguono, capirai il MOSFET nella misura in cui la manutenzione elettronica l'apparecchiatura che contiene il dispositivo sarà semplice.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Somiglianze e differenze tra MOSFET e JFET
♦ Come maneggiare in sicurezza i MOSFET
♦ L'importanza delle due modalità in cui i MOSFET possono operare
♦ Come commutare i dispositivi che trasportano corrente nei motori degli ascensori per farli funzionare come desiderato
♦ Quando i MOSFET vengono utilizzati nei motori degli ascensori e come prevenire il guasto prematuro dell'isolamento negli avvolgimenti del motore

Attributi di base

A causa della barriera elettrica tra il gate e il canale di tipo n o p (NMOS o PMOS), il MOSFET ha un'impedenza di ingresso CC persino superiore a quella del JFET: nelle vicinanze quasi inconcepibili di 10-100 milioni di megaohm. Confrontalo con la tipica lettura corretta per la temperatura di 200 mega, tipica dell'isolamento che circonda una linea di trasmissione ad alta tensione. Inoltre, questa impedenza è una proprietà di uno strato dielettrico che può avere uno spessore di pochissimi atomi. Poiché la capacità è una funzione della costante dielettrica del materiale isolante ed è inversamente proporzionale al suo spessore, possiamo calcolare la capacità del condensatore implicito del canale di gate nell'intorno di 2 fF, a seconda dell'ambiente elettrico.

Come in un JFET, la corrente che scorre attraverso il canale MOSFET è regolata non dalla corrente che scorre attraverso il circuito di ingresso, come in un transistor bipolare, ma piuttosto dalla tensione posta sul gate con riferimento a the source. La quantità di corrente richiesta per caricare un elettrodo così piccolo può essere descritta solo come minuscola, quindi il MOSFET non pone praticamente alcun carico sul circuito di uscita del dispositivo a monte, vale a dire, molto meno del JFET. Un altro modo per dirlo è che il MOSFET ha un'impedenza di ingresso estremamente elevata e questo spiega il suo valore in molte applicazioni. Al dispositivo che lo alimenta, il MOSFET è invisibile. Allo stesso tempo, il MOSFET ha una bassa impedenza di uscita in modo che, a sua volta, sia una sorgente rigida che ha poca tendenza ad essere caricata dallo stadio che lo segue. L'unico aspetto negativo di questo è che è necessaria cautela quando si maneggiano i MOSFET proprio a causa dell'immensa impedenza di ingresso con la sua barriera dielettrica molto sottile tra gate e source/drain. Il corpo umano, sfiorando un oggetto di vetro o plastica, se non messo a terra, tende ad acquisire e trattenere una carica elettrostatica molto elevata nell'ambito del MOSFET (con la sua struttura interna diafana).

Protezione dei MOSFET

La linea di fondo è che senza precauzioni speciali quando si rimuove un MOSFET sostitutivo dalla sua confezione e si prepara a saldarlo in posizione, c'è un'alta probabilità che un tecnico converta il dispositivo in un inutile frammento di silicio in modo che, quando l'apparecchiatura è rimesso in servizio, non si troverà a funzionare meglio di prima della riparazione. Tuttavia, il MOSFET non mostrerà alcun segno visibile di tale danno. Per prevenire questo spiacevole evento, sono necessarie alcune precauzioni. I produttori normalmente spediscono MOSFET confezionati con i terminali inseriti in una schiuma conduttiva o in cortocircuito con un filo di rame per prevenire l'accumulo di una carica elettrostatica. In tal caso, mantenere il dispositivo in smistamento fino a poco prima dell'installazione. Quando si maneggia il MOSFET, evitare di toccare i terminali. Non consentire al dispositivo di entrare in contatto con plastica o tessuto. Inoltre, tocca periodicamente una superficie conduttiva ben messa a terra per drenare qualsiasi potenziale che potresti aver accumulato.

Per prevenire la carica elettrostatica, è possibile collegare in cantiere un braccialetto di messa a terra disponibile in commercio e indossarlo se si devono maneggiare i MOSFET. Puoi crearne uno tuo. Modellare un braccialetto di rame allentato di filo di rame solido nudo da 8 AWG e saldare ad esso una lunghezza appropriata di filo a trefolo isolato da 16 AWG per il collegamento a terra. All'estremità, collegare una presa telefonica del tipo utilizzato per le apparecchiature audio. Installare la presa femmina su un involucro con messa a terra. Assicurati che il telaio non sia del tipo a terreno flottante vecchio stile che potrebbe surriscaldarsi. Hai bisogno di una messa a terra dell'attrezzatura collegata direttamente alla terra dell'attrezzatura al servizio. Assicurati che non vi sia alcuna possibilità che il tuo braccialetto di messa a terra si isoli da terra, nel qual caso potresti perdere il MOSFET e nessuna possibilità che possa surriscaldarsi, nel qual caso potresti perdere te stesso. Non indossare il braccialetto di messa a terra quando si lavora su apparecchiature elettriche o su qualsiasi circuito in cui si potrebbe entrare in contatto con una tensione pericolosa.

L'altra fonte di una carica elettrostatica dannosa o di una corrente vagante può essere qualsiasi tipo di utensile elettrico, inclusi un saldatore, un trapano o una ventosa per saldatura elettrica. La punta di un saldatore deve essere sempre collegata a terra. Anche soffiare aria compressa su una scheda a circuito stampato può generare una carica elettrostatica, quindi il tecnico dovrebbe sempre prestare attenzione ai MOSFET nelle vicinanze durante l'esecuzione di tali attività.

Il danno elettrostatico a un MOSFET può essere insidioso in quanto il danno potrebbe non manifestarsi immediatamente, ma potrebbe essere latente, causando guasti prematuri dei componenti giorni, settimane o mesi lungo la strada. Una misura preventiva è quella di umidificare l'aria: ad esempio, tenendo in ebollizione una pentola d'acqua su una piastra vicino alla zona di lavoro. L'aria umida elimina continuamente il potenziale elettrostatico da un corpo carico in modo che non raggiunga un livello dannoso.

Per progettare o diventare esperti nella risoluzione dei problemi e nella riparazione dei circuiti CMOS, è necessario essere consapevoli dei loro comportamenti elettrici dinamici e stazionari.

Funzionamento

A differenza del MOSFET, il JFET opera in una sola modalità. Quando la tensione sul cancello (con riferimento a the source) è 0, il canale è conduttivo come sta per diventare. Quindi (per un dispositivo a canale di tipo n), se viene applicata una tensione negativa, il canale si restringe, diventando meno conduttivo. Ad un certo livello (che si trova nella scheda tecnica) noto come "pizzicamento", il canale si chiude e il dispositivo non condurrà più. Poiché un'applicazione di tensione al di sopra del livello di soglia fa diminuire la corrente, quindi cessa del tutto, a volte si dice che il JFET stia funzionando in modalità di esaurimento, ma questa terminologia può essere fuorviante, poiché non esiste un'altra modalità per questo dispositivo. Il JFET dovrebbe essere solo polarizzato inversamente. Se è polarizzato in avanti, la corrente viene limitata solo portando al massimo l'alimentazione, quindi il JFET verrà distrutto.

Il MOSFET, d'altra parte, può funzionare in modalità di esaurimento o miglioramento. In modalità potenziamento, quando 0 V è sul gate di riferimento the source, il MOSFET non conduce. Se la tensione applicata supera il livello di soglia, il dispositivo inizia a condurre e la quantità di corrente nel canale aumenta in modo lineare fino alla saturazione. Nella sua modalità di esaurimento, le prestazioni del MOSFET assomigliano a quelle di un JFET. Quando la tensione applicata sul cancello con riferimento a the source è 0, il dispositivo è in conduzione. Una volta che la tensione sale al di sopra del livello di soglia, il canale diventa meno conduttivo fino a quando non si verifica il pinch-off, a quel punto la corrente non può fluire attraverso il canale.

Per riassumere, ci sono due varietà di JFET: NMOS e PMOS, mentre il MOSFET ha quattro tipi: esaurimento e potenziamento NMOS e esaurimento e potenziamento PMOS. Poiché il MOSFET (ad eccezione dello strato isolante più robusto associato al gate) è strutturalmente simile al JFET, una volta compreso il funzionamento interno di uno, comprenderete l'altro. Tuttavia, il MOSFET presenta alcuni importanti vantaggi proprio per il suo gate altamente isolato che consente applicazioni aggiuntive. Questo è il motivo per cui il MOSFET è arrivato a dominare l'ambiente dei transistor. Da nessuna parte questo è più evidente che nell'area del circuito integrato (IC). In effetti, la calcolatrice portatile e i computer laptop/desktop come li conosciamo oggi non sarebbero possibili senza il MOSFET, sia come dispositivo discreto che all'interno dell'IC.

Circuiti CMOS

L'attuale tecnologia MOSFET prevede, oltre a PMOS e NMOS, la presenza di circuiti MOSFET complementari (CMOS). Anche se i MOSFET sono arrivati ​​a dominare l'utilizzo dei semiconduttori nelle apparecchiature elettroniche, la configurazione CMOS rimane la strategia di progettazione più importante per le applicazioni sia digitali che analogiche. Il motivo è che i circuiti CMOS comportano una perdita di potenza molto inferiore, il che equivale a una minore dissipazione del calore e al conseguente demone dell'aumento della temperatura. Questa riduzione è resa possibile dal fatto che nell'implementazione CMOS, ogni NMOS è completato (da cui il nome) da un PMOS. Entrambi i cancelli ed entrambi gli scarichi sono collegati insieme. "CMOS" non si riferisce a un singolo semiconduttore come un diodo o un JFET, ma piuttosto un tipo di circuito composto da tipi opposti (e complementari) di MOSFET (NMOS e PMOS). Questo circuito può essere costruito come configurazione autonoma per illustrare il concetto, ma la distribuzione abituale è all'interno di un circuito integrato, dove centinaia di milioni di questi sottocircuiti possono essere collegati insieme all'interno di un singolo microchip.

Ciò che spiega il minor consumo energetico nella tecnologia CMOS è il fatto che i PMOS e gli NMOS sono collegati in serie. Quando uno è acceso, l'altro è spento, quindi la combinazione in serie non assorbe corrente, se non molto brevemente durante le transizioni. Quando un gran numero di questi circuiti CMOS abita un piccolo pacchetto IC, questa minima dissipazione del calore è un vantaggio importante e spiega perché i circuiti CMOS sono arrivati ​​a dominare il mondo della microelettronica.

Le informazioni possono assumere una forma analogica o digitale. Circuiti elettronici appropriati possono convertire entrambi i formati nella loro controparte. Come e dove avviene questa conversione è fondamentale e determina la misura in cui viene utilizzata la tecnologia CMOS.

Dominazione digitale

Come tutti sappiamo, le apparecchiature digitali hanno sostituito le apparecchiature analogiche in molti settori, come le fotocamere consumer e professionali. Tuttavia, l'immagine veicolata dalla luce irradiata o riflessa dall'oggetto da fotografare è, per i nostri scopi, un fenomeno analogico, nonostante le rivelazioni quantistiche.

La luce passa attraverso un obiettivo convenzionale e un otturatore meccanico, consentendo all'immagine di essere focalizzata (per un periodo di tempo prescritto) sul sensore. A questo punto sono emerse due tecnologie divergenti. Per molti anni, il dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) ha avuto un vantaggio decisivo in termini di qualità, ma i sensori CMOS sono migliorati al punto da prendere il sopravvento in aree chiave. A costi inferiori e utilizzando meno energia (che si traduce in una maggiore durata della batteria e maggiori intervalli tra le ricariche), i sensori CMOS sono diventati dominanti sia nelle fotocamere digitali consumer che professionali, solo per citare un luogo.

La tecnologia CCD prevede il trasferimento di carica lungo la superficie dell'array tra condensatori adiacenti. La carica viene trasmessa attraverso l'array, emergendo in un angolo dove un convertitore analogico-digitale misura la quantità di carica e crea informazioni binarie in preparazione per il download sul computer. Il CMOS prevede l'uso di numerosi MOSFET su ciascun pixel per acquisire le informazioni in preparazione per il trasferimento, già digitalizzato, sul cablaggio tradizionale al circuito stampato. Questo è possibile perché, come abbiamo visto, c'è molto meno calore da dissipare nei circuiti CMOS, quindi più dispositivi possono abitare un piccolo chip.

A differenza dell'ambiente della fotocamera analogica/digitale, nella tecnologia CMOS strettamente digitale, gli ingressi e le uscite vengono attivati ​​(1) e disattivati ​​(0) solo. Se il dispositivo è acceso, è completamente saturato: non è progettato per funzionare all'interno della porzione lineare della sua curva di risposta, a differenza di un dispositivo analogico. Il livello di tensione (che rappresenta 1) è diminuito. Tipicamente, la massa (bassa tensione) è impostata a 0 V. Nei decenni passati, 1 è stato definito come +5 volt, ma da allora è stato impostato progressivamente più basso in modo da poter ottenere un'integrazione su scala molto ampia (VLSI).

Le porte logiche CMOS a stadio singolo sono invertenti, il che significa che quando l'ingresso è 1, l'uscita è 0 e quando l'ingresso è 0, l'uscita è 1. Per costruire un dispositivo non invertente, è necessario avere più (un numero pari di) stadi.

Risoluzione dei problemi e riparazione del CMOS

Per progettare o diventare esperti nella risoluzione dei problemi e nella riparazione dei circuiti CMOS, è necessario essere consapevoli dei loro comportamenti elettrici dinamici e stazionari. I parametri si trovano nelle schede tecniche dei produttori e includono livelli di tensione logici, rumore CC, fan-out consentito, consumo energetico, scariche elettrostatiche e uscita a tre stati e a circuito aperto. Affinché la logica 1 sia percepita come un ingresso, la V1H(min) non deve scendere al di sotto del livello prescritto dal costruttore nella scheda tecnica. Allo stesso modo, qualsiasi dispositivo avrà una tensione di ingresso di basso livello, una tensione di uscita di alto livello e una tensione di uscita di basso livello. Le aberrazioni sono causate da disturbi che causano un funzionamento instabile del circuito.

"Fan-out" è un termine pittoresco che indica il numero di ingressi che una porta logica può pilotare senza vedere degradate le prestazioni. È una funzione delle caratteristiche di uscita del dispositivo genitore e del numero di ingressi pilotati, più le loro caratteristiche di carico, in particolare le loro impedenze di ingresso. I fan-out di stato basso e alto di solito non sono identici, quindi il caso peggiore è quello che conta. All'aumentare della frequenza, il fan-out consentito diventa più dipendente dalle capacità parallele totali, che, ovviamente, sono additivi. Per ogni dispositivo CMOS nel carico totale, il ritardo di propagazione diventa maggiore, quindi è necessario calcolare tale importo e confrontarlo con il ritardo di propagazione massimo ammissibile.

Se l'uscita viene caricata oltre la sua valutazione, aspettati di vedere l'uscita aumentare oltre il limite massimo nello stato basso. Nello stato alto, l'uscita potrebbe scendere al di sotto delle specifiche. Inoltre, è probabile che il ritardo di propagazione e i tempi di salita e discesa aumentino. Soprattutto, attenzione all'aumento della temperatura, al degrado dell'affidabilità del circuito e, in breve tempo, alla distruzione del CMOS. Nello stato DC, a causa della suddetta configurazione del circuito CMOS, il consumo di energia è basso. Ma, all'aumentare della frequenza, questo vantaggio scompare. Per ogni applicazione è importante controllare la scheda tecnica del produttore. La cifra sale nei grandi array, ed è necessario accertarsi che le dimensioni dell'alimentazione e dei conduttori siano adeguate.

Una delle principali aree di interesse per i tecnici degli ascensori è il motore principale dell'ascensore. Poiché il controllo della velocità e la reversibilità sono sempre fattori, i problemi del conducente diventano importanti. L'unico driver può essere un MOSFET solo nei motori più piccoli, come i motori brushless DC e stepper. Poiché assorbono più corrente, i motori più grandi richiedono semiconduttori di potenza. In ogni caso, i dispositivi che trasportano corrente devono essere commutati in modo tale da far funzionare il motore secondo necessità.

Quando si fa riferimento ai requisiti di corrente del motore, è sempre essenziale rendersi conto che la corrente di avviamento è maggiore della corrente necessaria affinché il motore funzioni alla sua velocità nominale, anche a pieno carico. Questo perché quando non gira, non c'è "campo elettromagnetico posteriore" e il carico è limitato solo dalla resistenza ohmica degli avvolgimenti del motore, che è molto inferiore rispetto a quando l'armatura rotante fa funzionare il campo magnetico dello statore.

Tensioni inaspettatamente elevate possono essere trasmesse agli avvolgimenti del motore, causando un guasto prematuro dell'isolamento in determinate condizioni. L'induttanza della scheda e del cavo può causare un ronzio nel circuito del motore, con conseguenti picchi di tensione indesiderati. Questo fenomeno è più pronunciato alle alte frequenze, ma è importante rendersi conto che un tempo di avvio e arresto rapido, causato elettronicamente o meccanicamente, farà la stessa cosa, anche se l'energia elettrica di base è CC. In caso di riparazione prestare attenzione nella sostituzione dei cablaggi, a non deviare il percorso in modo tale da alterarne le caratteristiche. È una buona idea dare un'occhiata alle forme d'onda con un oscilloscopio mentre il motore funziona correttamente in modo da sapere cosa aspettarsi. Realizza disegni o, con un telescopio digitale, salva le immagini e conservale in archivio.

Scegliere un dispositivo

Il primo passo nella scelta di un dispositivo di commutazione dell'alimentazione per un azionamento a motore è consultare la targhetta del motore insieme al Codice elettrico nazionale per dimensionare i conduttori e i livelli di protezione da scollegamento e sovracorrente. Supponendo che questo circuito sia adeguato a sopportare il carico, è possibile determinare i valori nominali dei convertitori compatibili, tenendo conto della tensione, della corrente, della fase e della frequenza del sistema.

Il dispositivo di commutazione dell'alimentazione sarà probabilmente un MOSFET o un transistor bipolare a gate isolato (IGBT). Recentemente, il MOSFET e l'IGBT hanno sostituito il semplice transistor bipolare, anche nella sua forma Darlington. Questo perché, mentre il transistor bipolare è controllato in corrente, il MOSFET e l'IGBT controllati in tensione sono più design e user friendly. Quando utilizzare ciascun dispositivo è tutta una questione di consumo energetico e dispersione di calore. Il MOSFET viene generalmente utilizzato quando la tensione del sistema, come fornita al motore, è inferiore a 250 V. Gli IGBT sono migliori a più di 1,000 volt. Tra queste cifre, le giurisdizioni si sovrappongono, quindi è meglio dare un'occhiata a tutti i parametri, declassando a seconda dei casi.

Conclusione

Abbiamo visto che il MOSFET ha sostituito il transistor a giunzione bipolare un tempo popolare. Sono necessarie precauzioni speciali durante la manipolazione per evitare danni da cariche statiche che possono accumularsi nel corpo umano o possono essere convogliate da utensili elettrici non adeguatamente messi a terra. Questi dispositivi sono anche sensibili al calore di un saldatore, in particolare quelli della varietà CMOS. Detto questo, questi componenti sono facili da usare e, poiché assorbono meno corrente, hanno ampiamente sostituito i precedenti dispositivi a stato solido.

I MOSFET hanno reso possibile il VLSI nei circuiti integrati e questo fatto spiega la fattibilità di computer a basso costo e tutti i tipi di apparecchiature di comunicazione che fanno parte della nostra vita. Dai telefoni cellulari compatti ai grandi array di ascensori che rendono le grandi città di oggi una realtà, il MOSFET svolge un ruolo chiave. Per quelli di noi che lavorano quotidianamente con apparecchiature elettroniche, la comprensione della meccanica interna è un grande vantaggio. Una delle chiavi di questa comprensione è la capacità di accedere alla conoscenza il più rapidamente necessario. Un grande aiuto è la parola stampata. Il costo di un libro di testo può essere facilmente giustificato quando si lavora su attrezzature costose necessarie immediatamente. Inoltre, molte informazioni sono disponibili gratuitamente su Internet. La prossima volta che sei sconcertato nel corso di una riparazione, prova a digitare la marca e il modello in una barra di ricerca di YouTube.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 103 di questo fascicolo.
♦ Quali sono le caratteristiche che definiscono JFET e MOSFET?
♦ Perché sono necessarie precauzioni straordinarie nella gestione dei MOSFET?
♦ Come funziona un braccialetto di messa a terra?
♦ Perché il MOSFET è diventato una tecnologia dei semiconduttori dominante?
♦ Qual è il vantaggio della configurazione CMOS?