MOSFET como interruptor: ¿cuándo está en saturación?

Tengo el siguiente circuito conectado a una placa de pruebas.

Varío el voltaje de la puerta usando un potenciómetro. Esto es lo que me confunde: según Wikipedia, el MOSFET está saturado 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 más o menos. El brillo deja de aumentar cuando el voltaje de la puerta alcanza alrededor de 4V. No hay cambio en el brillo del LED cuando el voltaje de la puerta es mayor a 4V. Incluso si aumento el voltaje rápidamente de 4 a 12, el brillo del LED permanece sin cambios.

También monitorizo ​​el voltaje de drenaje a fuente mientras estoy aumentando el voltaje de la puerta. El drenaje a la fuente de voltaje cae de 12V a cerca de 0V cuando el voltaje de la puerta es de 4V más o menos. Esto es fácil de entender: dado que R1 y R (DS) forman un divisor de voltaje y R1 es mucho más grande que R (DS), la mayor parte del voltaje se cae en R1. En mis mediciones, se caen alrededor de 10V en R1 y el resto en el LED rojo (2V).

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

Tenga en cuenta que: R (DS) para IRF840 es 0.8 Ohms. V (TH) está entre 2V y 4V. Vcc es 12V.

Aquí está la línea de carga que tracé de mi circuito.

Ahora, de lo que obtuve de las respuestas aquí es que para operar el MOSFET como un interruptor, el punto de operación debe estar hacia la izquierda de la línea de carga. ¿Estoy correcto en mi entendimiento?

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

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

Ahora volviendo a la pregunta:

Según Wikipedia, el MOSFET está saturado cuando V (GS)> V (TH) y V (DS)> V (GS) - V (TH).

Eso es correcto.

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 más o menos.

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

El brillo deja de aumentar cuando el voltaje de la puerta alcanza alrededor de 4V. No hay cambio en el brillo del LED cuando el voltaje de la puerta es mayor a 4V. Incluso si aumento el voltaje rápidamente de 4 a 12, el brillo del LED permanece sin cambios.

Aumentó los Vgs haciendo que el dispositivo conduzca más corriente. En Vgs = 4V, lo que limita la cantidad de corriente ya no es el transistor, sino la resistencia que tiene en serie con el transistor.

También monitorizo ​​el voltaje de drenaje a fuente mientras estoy aumentando el voltaje de la puerta. El drenaje a la fuente de voltaje cae de 12V a cerca de 0V cuando el voltaje de la puerta es de 4V más o menos. Esto es fácil de entender: dado que R1 y R (DS) forman un divisor de voltaje y R1 es mucho más grande que R (DS), la mayor parte del voltaje se cae en R1. En mis mediciones, se caen alrededor de 10V en R1 y el resto en el LED rojo (2V).

Todo se ve en orden aquí.

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

No, no es. Está en la región lineal o trioda. Se comporta como resistencia en esa región. Eso está aumentando Vds aumentará Id.

Si este es el caso, ¿cómo diseñaría un circuito en el que el MOSFET está saturado?

Tu ya lo tienes. Solo debe tener cuidado con el punto de operación (asegúrese de que se cumplan las condiciones que ha mencionado).

A) En la región lineal, puede observar lo siguiente: -> al aumentar el voltaje de SUMINISTRO, el LED se volverá más brillante a medida que aumente la corriente a través de la resistencia y el transistor y, por lo tanto, fluirá más a través del LED.

B) En la región de saturación sucederá algo diferente -> al aumentar el voltaje de SUMINISTRO, el brillo del LED no cambiará. El voltaje adicional que aplique en el SUMINISTRO no se traducirá en una corriente mayor. En cambio, estará a través del MOSFET, por lo que el volage DRAIN aumentará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar el suministro en 2V significará aumentar el volage de drenaje en casi 2V)

Interpreto el significado de 'saturación' en el contexto del artículo de Wikipedia de la siguiente manera:

La hoja de datos para un MOSFET mostrará un gráfico con curvas que muestran un particular para un particular en un , generalmente para un número de diferentes de .V D S V G S V G $I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

En este ejemplo, la línea parabólica roja separa lo que se conoce como la región 'lineal' de la región de 'saturación'. En la región de saturación, las líneas son planas: la corriente ya no aumenta a medida que . En la región lineal, a medida que aumenta la corriente de drenaje, aumenta : el MOSFET actúa como una resistencia.V D S V D $I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

En su situación, suponiendo que su parte tenga curvas similares al ejemplo, técnicamente 'no', el dispositivo no está en la región de saturación. Dicho esto, su es tan baja que la es minúscula en comparación con la resistencia en serie. No importa a qué se , la caída 'lineal' del MOSFET es pequeña en comparación con la resistencia , y se ve "saturada".V D S V G S 390 $I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Otras respuestas aquí dan una buena explicación del término "saturación" tal como se aplica a los MOSFET.

Solo 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 usa correctamente para MOSFET donde

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

PERO nunca debería haber sido.
Pero lo es, así que ten cuidado.

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

Adicional:

Un MOSFET se "enciende" por el voltaje aplicado a la puerta en relación con la fuente = Vgs.
Los Vgs requeridos donde el FET comienza a encenderse y conduce una cantidad definida de corriente se conoce como 'voltaje de umbral de puerta' o simplemente 'voltaje de umbral' y generalmente se escribe como Vgsth o Vth o similar.
Vth da una indicación de la cantidad de voltaje que se necesitará para operar el FET como un interruptor PERO Vgs real totalmente mejorado es típicamente varias veces Vgsth. Además, los Vgs requeridos para una mejora completa varían con los ID deseados.

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 "completamente mejorado" y parece una resistencia hasta aproximadamente este punto. Para este FET, Vds es aproximadamente 1.5V a aproximadamente 20A, por lo que Rdson es aproximadamente R = V / I = 1.5 / 20 = 75 miliOhms.
Para este FET hay una curva en Vgs = 1V, por lo que VGSth = Vth probablemente esté en el rango de 0.5V-0.8V a, digamos, 100 uA.

Lo que debe hacer para ver la saturación es suministrar suficiente voltaje hasta que eventualmente el aumento de voltaje no haga ninguna diferencia en la corriente.
Para hacer esto, configure sus Vgs en un valor estático de encendido (> Vth), luego aumente el voltaje a través de Vds y mida la corriente. Inicialmente, aumentará de forma bastante lineal, estando en la región óhmica o lineal, pero eventualmente se estabilizará y, a pesar de aumentar aún más, la corriente a través del MOSFET se mantendrá igual.

Con respecto a la definición de saturación, entiendo que la saturación / lineal en MOSFET significa aproximadamente lo contrario de lo que hacen en un BJT. Este documento (bajo la caracterización de MOSFET en algunas páginas) sugiere algo similar, aunque siempre que comprenda cómo funcionan y qué quiere decir con el término, debería estar bien (al menos hasta que esté discutiendo los transistores con alguien :-))

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

Hay un buen applet de simulador MOSFET en esta página. Espero que ayude.
También hice una pregunta similar hace un tiempo; puedes referirte a él también.

B) En la región de saturación sucederá algo diferente -> al aumentar el voltaje de SUMINISTRO, el brillo del LED no cambiará. El voltaje adicional que aplique en el SUMINISTRO no se traducirá en una corriente mayor. En cambio, estará a través del MOSFET, por lo que el volage DRAIN aumentará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar el suministro en 2V significará aumentar el volage de drenaje en casi 2V)

¿Cómo es eso? Aumentar el suministro debería aumentar los V ds solo en Id X Rds (activado). Teniendo en cuenta que el LED tendrá casi la misma caída de voltaje directo, la resistencia en serie y el dispositivo deberán compartir el aumento de voltaje. Dado que la resistencia tiene un valor mucho mayor (390 ohmios en comparación con 0,8 ohmios del dispositivo), la mayor parte de la caída de voltaje tiene que ser a través de la resistencia. Además, defensivamente habrá un aumento en la corriente de drenaje con un aumento en la resistencia. Las pérdidas de MOSFET se calculan en el estado fijo como el cuadrado actual multiplicado por Rds (activado). Por lo tanto, la observación "DRAIN volage se elevará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar el suministro en 2 V significará aumentar el volage de drenaje en casi 2 V)" es incorrecta