MOSFET como un interruptor. ¿Cuándo está en saturación?

Question

Tengo el siguiente circuito conectado en una tabla de la panadería.

Varía el voltaje de la puerta con un potenciómetro. Esto es lo que me confunde: según la wikipedia, el MOSFET está en saturación cuando V(GS) > V(TH) y V(DS) > V(GS) - V(TH).

Si aumento lentamente el voltaje de la puerta a partir de 0, el MOSFET permanece apagado. El LED comienza a conducir una pequeña cantidad de corriente cuando el voltaje de la puerta es de alrededor de 2,5V o así. El brillo deja de aumentar cuando la tensión de la puerta alcanza alrededor de 4V. No hay cambio en el brillo del LED cuando la tensión de la puerta es mayor de 4V. Aunque aumente el voltaje rápidamente de 4 a 12, el brillo del LED no cambia.

También monitorizo el voltaje de la Fuente de Drenaje mientras aumento el voltaje de la puerta. El drenaje del voltaje de la fuente cae de 12V a cerca de 0V cuando el voltaje de la puerta es de 4V o así. Esto es fácil de entender: como R1 y R(DS) forman un divisor de voltaje y R1 es mucho más grande que R(DS), la mayor parte del voltaje cae sobre R1. En mis mediciones, alrededor de 10V están cayendo en R1 y el resto en el LED rojo (2V).

Sin embargo, ya que V(DS) es ahora aproximadamente 0, la condición V(DS) > V(GS) - V(TH) no se satisface, ¿el MOSFET no está en saturación? Si este es el caso, ¿cómo se diseñaría un circuito en el que el MOSFET está en saturación?

Fíjese en eso: R(DS) para el IRF840 es de 0.8 Ohms. V(TH) es entre 2V y 4V. Vcc es 12V.

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Aquí está la línea de carga que he trazado de mi circuito.

Ahora, de lo que he ganado con las respuestas aquí es que para operar el MOSFET como un interruptor, el punto de operación debe ser hacia la izquierda de la línea de carga. ¿Estoy en lo cierto en mi entendimiento?

Y si se imponen las curvas características del MOSFET, en el gráfico de arriba, entonces el punto de operación estaría en la llamada región "lineal/triángulo". De hecho, el interruptor debería llegar a esa región lo más rápido posible para trabajar de forma eficiente. ¿Lo entiendo o estoy completamente equivocado?

Answer 1

En primer lugar, "saturación" en los mosfets significa que el cambio de VDS no producirá un cambio significativo en la Id (corriente de drenaje). Puedes pensar en el MOSFET en saturación como una fuente de corriente. Es decir, independientemente de la tensión a través de VDS (con límites, por supuesto) la corriente a través del dispositivo será (casi) constante.

Volviendo a la pregunta:

Según la wikipedia, el MOSFET está en saturación cuando V(GS) > V(TH) y V(DS) > V(GS) - V(TH).

Eso es correcto.

Si aumento lentamente la tensión de puerta partiendo de 0, el MOSFET permanece apagado. El LED comienza a conducir una pequeña cantidad de corriente cuando el voltaje de puerta es de alrededor de 2,5V o así.

Aumentaste la Vgs por encima de la Vth del NMOS para que se formara el canal y el dispositivo comenzara a conducir.

La luminosidad deja de aumentar cuando la tensión de la puerta alcanza unos 4V. No hay ningún cambio en el brillo del LED cuando el voltaje de la puerta es mayor que 4V. Incluso si aumento el voltaje rápidamente de 4 a 12, el brillo del LED no cambia.

Has aumentado la Vgs haciendo que el dispositivo conduzca más corriente. A Vgs = 4V lo que limita la cantidad de corriente ya no es el transistor sino la resistencia que tienes en serie con el transistor.

También controlo el voltaje de drenaje a fuente mientras aumento el voltaje de la puerta. El voltaje de drenaje a fuente cae de 12V a cerca de 0V cuando el voltaje de puerta es de 4V más o menos. Esto es fácil de entender: como R1 y R(DS) forman un divisor de tensión y R1 es mucho mayor que R(DS), la mayor parte de la tensión cae en R1. En mis mediciones, alrededor de 10V están cayendo en R1 y el resto en el LED rojo (2V).

Todo parece en orden aquí.

Sin embargo, como V(DS) es ahora aproximadamente 0, la condición V(DS) > V(GS) - V(TH) no se cumple, ¿el MOSFET no está en saturación?

No lo es. Está en la región lineal o triodo. Se comporta como una resistencia en esa región. Es decir, el aumento de Vds aumentará Id.

Si este es el caso, ¿cómo se diseñaría un circuito en el que el MOSFET esté en saturación?

Ya lo has hecho. Sólo tienes que cuidar el punto de funcionamiento (asegúrate de que se cumplen las condiciones que has mencionado).

A) En la región lineal se puede observar lo siguiente: -> al aumentar la tensión de alimentación, el LED será más brillante, ya que la corriente a través de la resistencia y el transistor aumentará y por lo tanto más estará fluyendo a través del LED.

B) En la región de saturación ocurrirá algo diferente -> al aumentar la tensión de alimentación, el brillo del LED no cambiará. El voltaje extra que se aplica en la alimentación no se traducirá en una mayor corriente. En su lugar, será a través del MOSFET, por lo que el voltaje de drenaje aumentará junto con la tensión de alimentación (por lo que aumentar la alimentación en 2V significará aumentar el voltaje de drenaje en casi 2V)

Answer 2

Interpreto el significado de "saturación" en el contexto del artículo de la Wikipedia como sigue:

La hoja de datos de un MOSFET mostrará un gráfico con curvas que muestran un \$I_D\$ para un determinado \$V_{DS} \$ en un determinado \$V_{GS}\$ Normalmente, se trata de una serie de \$V_{GS}\$ valores.

En este ejemplo, la línea parabólica roja separa lo que se denomina la región "lineal" de la región "de saturación". En la región de saturación, el \$I_D\$ las líneas son planas - la corriente no aumenta más a medida que \$V_{DS}\$ aumenta. En la región lineal, a medida que aumenta la corriente de drenaje, \$V_{DS}\$ aumenta - el MOSFET actúa como una especie de resistencia.

En tu situación, suponiendo que tu pieza tenga curvas similares a las del ejemplo, técnicamente "no", el dispositivo no está en la región de saturación. Dicho esto, su \$I_D\$ es tan bajo que el \$V_{DS}\$ es minúscula comparada con la resistencia en serie. No importa lo que \$V_{GS}\$ sube, la caída "lineal" del MOSFET es ínfima comparada con la \$390 \Omega\$ resistencia, y "parece" saturada.

Answer 3

Otras respuestas dan una buena explicación del término "saturación" aplicado a los MOSFET.

Sólo señalaré aquí que este uso es muy diferente de lo que se entiende por transistores bipolares y algunas otras clases de dispositivos.

El término se utiliza correctamente para los MOSFET en los que

• V(DS) > V(GS) - V(TH)

PERO nunca debió serlo.
Pero lo es, así que téngalo en cuenta.

Un transistor bipolar (y NO un MOSFET) está "en saturación" cuando se enciende con fuerza. La condición equivalente en un MOSFET de modo de realce (el tipo más común) es cuando está "totalmente realzado" PERO el término apropiado para esto ya ha sido robado.

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Añadido:

Un MOSFET se "enciende" por la tensión aplicada a la puerta respecto a la fuente = Vgs.
El Vgs necesario para que el FET comience a encenderse y conduzca una cantidad definida de corriente se conoce como "tensión de umbral de puerta" o simplemente "tensión de umbral" y suele escribirse como Vgsth o Vth o similar.
Vth da una indicación de cuánto voltaje va a ser necesario para operar el FET como un interruptor, PERO el Vgs real completamente mejorado es típicamente varias veces Vgsth. Además, la Vgs necesaria para la mejora completa varía con las Ids deseadas.

Este gráfico, copiado de la respuesta de Madmanguruman, muestra que a Vgs = 7V la relación Ids/Vds es aproximadamente lineal hasta aproximadamente Ids = 20A, por lo que el FET está "totalmente potenciado" y parece una resistencia hasta aproximadamente este punto. Para este FET Vds es de aproximadamente 1,5V a unos 20A por lo que Rdson es de aproximadamente R = V/I = 1,5/20 = 75 miliOhms.
Para este FET hay una curva a Vgs = 1V por lo que VGSth = Vth está probablemente en el rango de 0,5V-0,8V a digamos 100 uA.

Answer 4

Lo que hay que hacer para ver la saturación, es suministrar suficiente voltaje hasta que eventualmente el aumento de voltaje no haga diferencia en la corriente.
Para ello, ajuste su Vgs a un valor de encendido estático (>Vth), luego eleve la tensión a través de Vds y mida la corriente. Inicialmente aumentará bastante linealmente, estando en la región óhmica o lineal, pero finalmente se aplanará y a pesar de aumentar más la corriente a través del MOSFET se mantendrá igual.

En cuanto a la definición de saturación, entiendo que la saturación/lineal en los MOSFETs significa más o menos lo contrario que en un BJT. Este documento (en el apartado de caracterización de MOSFETs, unas páginas más adelante) sugiere algo similar, aunque siempre y cuando se entienda cómo funcionan y qué usted que se entiende por el término, entonces debería estar bien (al menos hasta que esté discutiendo sobre transistores con alguien :-) )

Answer 5

http://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html

Hay un buen applet simulador de MOSFET en esta página. Espero que sea de ayuda.
También pregunté una pregunta similar hace un tiempo; puede consultarlo también.