¿Se puede utilizar un MOSFET de potencia para la aplicación de conmutación como un amplificador lineal?


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Los MOSFET de potencia hoy en día son ubicuos y bastante baratos también en el comercio minorista. En la mayoría de las hojas de datos, vi que los MOSFET de potencia están clasificados para conmutación, sin mencionar ningún tipo de aplicaciones lineales.

Me gustaría saber si este tipo de MOSFET se puede usar también como amplificador lineal (es decir, en su región de saturación).

Tenga en cuenta que conozco los principios básicos sobre los que funcionan los MOSFET y sus modelos básicos (AC y DC), por lo que sé que un MOSFET "genérico" se puede utilizar como interruptor y como amplificador (con "genérico" me refiero a tipo de dispositivo semi ideal que uno usa para fines didácticos).

Aquí estoy interesado en posibles advertencias reales para dispositivos prácticos que podrían omitirse en los libros de texto básicos de EE.

Por supuesto, sospecho que el uso de tales partes será subóptimo (¿más ruidoso? ¿Menor ganancia? ¿Peor linealidad?), Ya que están optimizadas para la conmutación, pero ¿existen problemas sutiles que pueden surgir al usarlos como amplificadores lineales que pueden comprometer los circuitos de amplificador simples ( a baja frecuencia) desde el principio?

Para dar más contexto: como profesor en una escuela secundaria, me siento tentado a usar piezas tan baratas para diseñar circuitos amplificadores didácticos muy simples (por ejemplo, amplificadores de audio de clase A, un par de vatios máximo) que se pueden incorporar (y posiblemente construir) PCB matriz por los mejores estudiantes). Algunas partes que tengo (o podría tener) disponibles a bajo precio, por ejemplo, incluyen BUK9535-55A y BS170 , pero no necesito consejos específicos para esos dos, solo una respuesta general sobre posibles problemas con lo que dije antes.

Solo quiero evitar algún tipo de "¡Hey! ¿No sabías que la potencia de conmutación podría hacer esto y esto cuando se usa como amplificador lineal?" ¡Situación frente a un circuito muerto (frito, oscilante, enclavado, ... o lo que sea)!


Obtener un buen comportamiento probablemente requerirá el uso de un amplificador operacional que tome retroalimentación desde un punto más allá del transistor, pero también incluya algunos circuitos para evitar la oscilación. Un amplificador de clase A puede plantear algunas dificultades porque incluso apagar el transistor por completo no hará que la salida aumente muy rápido, y un amplificador de clase B puede plantear algunas dificultades si se desea evitar las desagradables corrientes de disparo. Es posible obtener buenos resultados utilizando MOSFET de potencia como usted describe, pero tratar de hacer que las cosas funcionen bien puede ser "educativo". Por supuesto, si ese es el punto ...
supercat

@ Supercat No estoy apuntando a la distorsión de nivel de alta fidelidad. Solo un circuito simple que puede mostrar que un MOSFET en realidad puede amplificar la señal (de la misma manera que lo haría con los JJJs Jellybean como BC337 o similar en un circuito CE de 4 resistencias, solo para dibujar una analogía). La banda de audio es agradable para los estudiantes, ya que pueden conectar la salida de su iPOD o iWhatever a la entrada y escuchar el sonido en un pequeño altavoz (es más genial que verlo en un osciloscopio, sí, con el estudiante promedio funciona así) !). Sí, sé que estoy describiendo un contexto de muy baja tecnología.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

@supercat BTW gracias por los otros puntos, justo el tipo de cosas que necesitaba saber. Solo una pregunta: ¿qué quieres decir con el término "corrientes de disparo"? ¿Te refieres a las corrientes de entrada necesarias para cargar la capacitancia de la puerta?
Lorenzo Donati apoya a Mónica

En un amplificador de clase B, un transistor tendrá el trabajo de conducir la salida alta, y otro tendrá el trabajo de conducirlo bajo. Las corrientes de disparo son aquellas que pasan a través de ambos transistores.
supercat

@supercat ¡Ah! ¡OK gracias! Perfectamente claro ahora! No sabía el término en inglés para eso.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

Respuestas:


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Tuve una pregunta similar. Leyendo notas de aplicación y diapositivas de presentación de compañías como International Rectifier, Zetex, IXYS:

  • El truco está en la transferencia de calor. En la región lineal, un MOSFET estará disipando más calor. Los MOSFET para región lineal están diseñados para tener una mejor transferencia de calor.
  • MOSFET para una región lineal podría vivir con una capacitancia de puerta más alta

Nota de la aplicación IXYS IXAN0068 ( versión del artículo de la revista )
Nota de la aplicación Fairchild AN-4161


(+1) ¡Fantástico! ¡Gracias! Justo la información que necesitaba! ¡Sospeché que también los libros universitarios (al menos los que leí) no contaban toda la historia!
Lorenzo Donati apoya a Mónica

Iba a publicar más o menos esto. La nota de la aplicación Fairchild es una buena fuente.
gsills

@gsills ¡Material realmente interesante, de hecho!
Lorenzo Donati apoya a Mónica

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VTH

VOV=VGSVTHVTH

Los nuevos MOSFET (generalmente optimizados para la conmutación, porque allí es donde está el mercado) tienen corrientes subliminales mucho más altas ; en otras palabras, a bajos voltajes de sobremarcha, transportan más corriente y disipan más calor. Otra forma de decir esto es: en corrientes que son prácticas para amplificadores lineales, incluso a pesar de ejecutar amperios de corriente, los MOSFET más nuevos necesitan muy poca sobremarcha (un régimen que exhibe inestabilidad térmica), a diferencia de sus antepasados ​​que necesitaban mucha sobremarcha (un régimen con Gran estabilidad térmica).

Por lo tanto, incluso si los MOSFET más nuevos se colocasen en los mismos paquetes con la misma capacidad de eliminación de calor, aún tendrían SOA (áreas de operación seguras) más pequeñas. Para complicar aún más el asunto, como una especie de regla general, la mayoría de las hojas de datos de los transistores no tienen curvas SOA precisas.

Cuando use MOSFET más nuevos, diseñe con márgenes amplios (por ejemplo, un MOSFET que vea 200V podría especificarse para 400V) y no espere que se mantengan a la altura de sus curvas SOA de la hoja de datos a menos que los pruebe.


¿Le importaría proporcionar algunos enlaces o información adicional sobre "corrientes subliminales" y "efecto espirito"? Nunca escuché esos términos. Si bien puedo adivinar a qué se refieren los primeros, no tengo ni idea de lo último.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

Sí, probablemente pocos sabrán qué es el efecto Sprito, al menos por su nombre. Pero vea la nota de aplicación an4161
gsills

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VOV=VGSVTHVTH

Ok, gracias por las explicaciones! Acabo de leer esos documentos vinculados por Nick.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

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Es extremadamente interesante leer el artículo al que se vinculó en su comentario sobre el efecto espirito. Esta cita es notable (énfasis mío): JPL investigó esta destrucción, habló con el fabricante y descubrió que la industria automotriz había encontrado el problema en 1997. Luego, JPL volvió a “partes más antiguas” y confió en el fabricante para anunciar el problema; Sin embargo, esto nunca ocurrió . ¿Te importaría editar tu respuesta para incluir lo que dijiste en el comentario? Sería una mejora útil.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

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Sí, puede usar MOSFET de potencia destinados a cambiar aplicaciones en su región lineal, pero esto no es lo que recomiendo para su propósito.

Apéguese a los BJT para amplificadores de demostración. La razón es que sus requisitos de polarización son más predecibles en voltaje y, por lo tanto, es más fácil crear circuitos para polarizarlos de manera útil.

Los MOSFET tienen una variación significativa de parte a parte en el voltaje del umbral de la puerta, que es el voltaje de la puerta al que un pequeño dV causa el mayor cambio de salida. Con los FET destinados a la conmutación, es deseable minimizar esta región de transición, pero para una operación lineal le gustaría que se extienda. Dicho de otra manera, quieres un poco de "perdón" en el voltaje de la puerta. Cambiar FET puede darle menos. El diseño para polarizar tales FET en su región lineal termina siendo muy pesimista, generalmente con resistencias de fuente más grandes de las que usaría, solo para obtener cierta previsibilidad.

Se puede hacer, pero los circuitos adicionales para establecer el punto de polarización, probablemente con retroalimentación DC deliberada adicional, restarán valor a los otros conceptos del diseño del amplificador, a menos que, por supuesto, eso sea lo que quieras enseñar. Sin embargo, parece que cualquier amplificador ya es difícil para los estudiantes, por lo que agregar esta complicación puede hacer que todo sea impenetrable para ellos.


(+1) ¡Gracias por las ideas útiles! Desafortunadamente, no estoy enseñando ningún tipo de diseño de EE este año. Es solo un curso "general" sobre electrónica para futuros técnicos de mantenimiento en el campo termotécnico. Solo pretendo hacerles entender que existen algunos componentes, cuáles son sus principales aplicaciones y por qué estas aplicaciones son factibles utilizando la menor cantidad de matemática posible (Ley de Ohm, KCL, KVL y curvas características empíricas). Después de cubrir los diodos, pasé a enseñar MOSFET porque son un poco más fáciles de explicar a mi audiencia. ...
Lorenzo Donati apoya a Mónica

... La parte del laboratorio no se trata realmente de diseño, sino de ayudar a familiarizarse con los componentes y los instrumentos de medición. Para esos estudiantes, no es tan importante comprender los detalles más finos, sino más bien ver en la práctica que todos mis dudas sobre las líneas de carga no fueron solo agitar las manos o BS. En otras palabras, soy yo quien diseñará los circuitos, solo los montarán y verificarán que funcionan como se explicó.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

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Primero, aclaremos la terminología. Idealmente, un transistor de conmutación siempre está cortado o saturado, ya sea bipolar o FET. Como cuestión práctica, las transiciones deben pasar a través de la región lineal. Los FET tienen una complejidad adicional: la región resistiva para valores pequeños de voltaje de fuente de drenaje. Además, la característica de transferencia sin procesar de un FET es cuadrática, no lineal. Cuando se conmuta, un FET se saturará rápidamente, y si el circuito externo está diseñado correctamente, el voltaje de la fuente de drenaje se deslizará igualmente rápidamente a un voltio nominal. En ese punto, estará en la región resistiva, pero también, lo que es más importante, estará saturado. Entonces, por ejemplo, si está descargando 5 amperios, la potencia disipada en el FET será de aproximadamente 5 vatios.

Desea utilizar el transistor en un circuito sesgado en la región lineal. Para ser claros, esto se trata del circuito externo. Un bloque de ganancia es un bloque de ganancia. No importa si se trata de un BJT, un FET, un MOSFET o un amplificador operacional. Lo único que pierde al usar un transistor de conmutación son las especificaciones del fabricante para ganancia y cambio de fase con respecto a la frecuencia. Para un cambio, no le importa, por lo que le facilitan el procesamiento de los datos en un parámetro de tiempo de cambio en lugar de parámetros de frecuencia.

Si intentara fabricar amplificadores, le importaría, pero solo se lo está demostrando a un grupo de niños verdes, por lo que tampoco le importa la respuesta de frecuencia. Un transistor de conmutación crea un bloque de ganancia perfectamente bueno, especialmente para los pocos vatios de salida indicados: ¡puede conducir un pequeño altavoz con un amplificador operacional común por amor de Dios!

Realmente no necesita preocuparse por la polarización: acople su señal de entrada con un pequeño condensador. Su amplificador de señal básica de clase A pequeña con un riel de 30 voltios sería:

  1. Un sesgo de configuración del divisor de voltaje, digamos 200K riel a puerta y 100k puerta a tierra. Esto le da 10 voltios inactivos en su nodo de puerta.
  2. Acople la entrada al nodo de puerta con un condensador.
  3. Coloque una resistencia desde la fuente a tierra: esto controla su polarización de la corriente de drenaje. Use, digamos .5k para dar una corriente de drenaje inactiva de 20 mA, fácilmente soportada por cualquier transistor de potencia.
  4. Coloque una resistencia de 100 ohmios en serie con su bobina de altavoz nominal de 8 ohmios; recuerde, un altavoz responde a los cambios de corriente, no de voltaje, su bobina crea un campo magnético variable en un campo de polarización.
  5. El transistor recogerá cualquier disipación de potencia que no sea transportada por estas otras cargas, como máximo 400 mW.
  6. Su pequeña característica de transferencia de señal será:

    Vdrain=30vG108500=30vG5

donde v es el voltaje de señal pico a pico, G es la transconductancia del transistor y los otros valores son el voltaje del riel y las resistencias de carga. Si quieres ponerte elegante, trabaja en la inductancia de la bobina del altavoz y verás un círculo en lugar de una línea de carga en el diagrama IV.

Varíe los componentes externos a su gusto. Simple y sin tonterías. Asegúrese de enfatizar a sus hijos la naturaleza irrelevante del bloque de ganancia. Las especificaciones solo son importantes para el control de calidad de la producción, pero para un truco único, todo funciona.


Esto realmente no responde la pregunta, aunque agradezco el esfuerzo de proporcionar información útil. Por cierto, no son niños, sino adolescentes que están aprendiendo a ser técnicos. En cuanto a la terminología ("... aclaremos la terminología"), te equivocaste, lo siento. Vea mi respuesta a un comentario a otra respuesta aquí en este hilo . Además, compare las características de salida de BJT y MOSFET .
Lorenzo Donati apoya a Mónica

La etimología del término "saturación" para BJT y MOSFET no está relacionada con la forma y posición de las características de salida, sino con los fenómenos que ocurren dentro del semiconductor. Por lo tanto, mientras que un BJTs para estar completamente ENCENDIDO debe estar saturado, para un MOSFET debe conducirlo a su región óhmica. La región de saturación para un MOSFET es análoga a la región activa de un BJT.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

"... la característica de transferencia sin procesar de un FET es cuadrática, no lineal" Esto es cierto para los FET comunes, no para los MOSFET de potencia , que son tecnologías diferentes. Si observa los enlaces de la hoja de datos que proporcioné en la pregunta, notará que la característica de transferencia es bastante lineal, después de una rodilla inicial.
Lorenzo Donati apoya a Mónica

"... el voltaje de la fuente de drenaje se deslizará igualmente rápidamente hasta nominalmente un voltio . En ese punto, estará en la región resistiva ...". El valor de Vds que separa la región óhmica (resistiva) de la región de saturación ("activa") no es fijo, depende del voltaje de sobremarcha, es decir, la diferencia entre Vgs y voltaje de umbral. Por lo tanto, podría ser 1 V, 4 V, 0.2 V o lo que sea (según el nivel de Vgs y el modelo FET específico).
Lorenzo Donati apoya a Mónica
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