MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл – окисел – полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем).
Или по русски, MOSFET – это полевой транзистор с изолированным затвором. MOSFET имеет 3 вывода (ножки): сток (Drain), исток (Source), затвор (Gate). Между истоком и стоком в полевом транзисторе сформирован полупроводниковый канал. Канал может быть с n или p проводимостью. Снаружи канал покрыт изолятором. На изолятор нанесён металлический затвор. Затвор управляет проводимостью канала, при этом управляющий ток через изолятор под затвором протекать не может. Электрическое поле (напряжение) поданное на затвор управляет проводимостью канала. У MOSFET с n-каналом исток подключают к минусу источника питания, а у MOSFET с p-каналом исток подключают к плюсу источника питания.
Сравним MOSFET и биполярный транзистор. Важнейшей характеристикой биполярного транзистора является коэффициент усиления по току и напряжению, а из произведения этих величин получаем коэффициент усиления по мощности. У MOSFETкоэффициент усиления по напряжению может быть меньше 1 или больше 1 в зависимости от напряжения питания схемы, но вот коэффициент усиления по току может приближаться к бесконечности так как у MOSFET нет входного тока (ток затвора), ток сток-исток у некоторых моделей может достигать сотен ампер. 100/0 = ∞. Соответственно и коэффициент усиления по мощности приближается к бесконечности.
У MOSFET огромное входное сопротивление постоянному току, но между затвором и каналом (стоком и истоком) имеется электрическая ёмкость (конденсатор), поэтому с ростом частоты управляющего сигнала входное сопротивление MOSFET быстро падает. У MOSFET очень большое сопротивление канала в закрытом состоянии и оно же составляет сотые доли Ома в открытом состоянии канала. Эти свойства MOSFET делают его идеальным ключевым элементом в электронных схемах. Но у MOSFET очень тонкий изолятор под затвором, поэтому пробой изолятора может наступить при напряжениях на затворе всего в 2 раза выше рабочего напряжения (смотрите datasheet). Если MOSFET выполняет роль ключевого элемента в электронной схеме, очень важно открывать канал оптимальным напряжением на затворе для полного отпирания канала. Достаточное для полного отпирания канала напряжение на затворе, обычно составляет несколько вольт и отлично согласуется с TTL (5 Вольт) логикой.
Так как у MOSFET затвор изолирован, у него практически нет управляющего (входного тока). Это свойство MOSFET делает его особенно привлекательным в некоторых схемах.
Например, возьмём транзистор SI2302. Имея размер менее спичечной головки, этот транзистор может пропускать ток до 3,6 Ампер, при этом не греется и не потребляет управляющий ток, он управляется напряжением. А тут есть некоторое ограничение, для полного открытия канала сток - исток на затвор необходимо подать напряжение 4,5 Вольт. Но можно работать с открывающим напряжением на затворе 2,5 Вольт, при этом ток в нагрузке может достигать 3,1 Ампера.
Что это даёт в схемах робототехники и автоматики? MOSFET SI2302 можно подключать к выходам Arduino (м-к AVR) и управлять мощной нагрузкой, при этом совершенно не нагружая микроконтроллер. А вот подключить MOSFET к выходам м-к с 3,3 Вольт питанием напрямую не удастся.
Рис. 1. Схема включения полевого транзистора с n-каналом.
На рис. 1 через резистор R1 на затвор транзистора Q1 (SI2302) подаётся закрывающее канал сток-исток напряжение низкого уровня. R1 — входное сопротивление этой схемы. R2 — ограничивает входной ток на высоких частотах переключения и, к сожалению, ограничивает быстродействие транзистора.
Благодаря высокому входному сопротивлению полевых транзисторов с изолированным затвором, на основе схемы рис. 1 легко собрать прибор для проверки работоспособности конденсаторов см. рис. 2.
Рис. 2. Схема пробника для конденсаторов.
Пробником, собранным по схеме на рис. 2 можно проверять конденсаторы ёмкостью от 1 нФ до 1 мкФ. Если заменить резистор R1 на резистор с сопротивлением 5 кОм, можно будет проверять электролитические конденсаторы от 1 мкФ до 100мкФ. Для проверки конденсаторов большей ёмкости необходимо ещё уменьшить сопротивление резистора R1.
Рис. 3. Пробник для проверки конденсаторов собранный на макетной плате.
Работает пробник следующим образом: когда Вы подключаете исправный конденсатор в схему, светодиод вспыхивает на короткое время. Если электролитический конденсатор высох или в нём обрыв, светодиод не горит. Если в конденсаторе короткое замыкание или большой ток утечки, светодиод горит постоянно.
В следующей схеме рис. 4, благодаря высокому входному сопротивлению MOSFET, заряд конденсатора, подключённого к затвору транзистора не меняется длительное время. Мы можем коротким импульсом зарядить конденсатор, канал транзистора откроется и светодиод будет гореть. Если разрядить конденсатор, канал транзистора закроется и светодиод погаснет. Схема работает как ячейка памяти на 1 бит, запоминает состояния 1 (включено), 2 (выключено).
Рис. 4. Переключатель с памятью.
В схеме переключателя рис. 4 мы использовали конденсатор C1 ёмкостью 2,2 мкФ.
Рис. 5. Макет переключателя с памятью.
Рис. 6. Схема с кнопками Пуск/Стоп.
Рис. 7. Макет схемы с кнопками Пуск/Стоп.
