MOSFET als Schalter - Wann ist der Sättigungszustand erreicht?

Ich habe die folgende Schaltung an ein Steckbrett angeschlossen.

Ich verändere die Gate-Spannung mit einem Potentiometer. Hier ist , was mich verwirrt: laut Wikipedia, die MOSFET in Sättigung , wenn V (GS)> V (TH) und V (DS)> V (GS) - V (TH).

Wenn ich die Gate-Spannung ab 0 langsam erhöhe, bleibt der MOSFET ausgeschaltet. Die LED beginnt, eine kleine Strommenge zu leiten, wenn die Gate-Spannung ungefähr 2,5 V beträgt. Die Helligkeit nimmt nicht mehr zu, wenn die Gate-Spannung etwa 4 V erreicht. Die Helligkeit der LED ändert sich nicht, wenn die Gate-Spannung mehr als 4 V beträgt. Auch wenn ich die Spannung schnell von 4 auf 12 erhöhe, bleibt die Helligkeit der LED unverändert.

Ich überwache auch die Drain-Source-Spannung, während ich die Gate-Spannung erhöhe. Die Drain-Source-Spannung fällt von 12 V auf nahe 0 V ab, wenn die Gate-Spannung etwa 4 V beträgt. Dies ist leicht zu verstehen: Da R1 und R (DS) einen Spannungsteiler bilden und R1 viel größer als R (DS) ist, fällt der größte Teil der Spannung an R1 ab. Bei meinen Messungen werden ungefähr 10 V an R1 und der Rest an der roten LED (2 V) abgenommen.

Da jedoch V (DS) jetzt ungefähr 0 ist, ist die Bedingung V (DS)> V (GS) - V (TH) nicht erfüllt, ist der MOSFET nicht in Sättigung? Wenn dies der Fall ist, wie würde man eine Schaltung entwerfen, in der sich der MOSFET in Sättigung befindet?

Beachten Sie, dass: R (DS) für IRF840 0,8 Ohm beträgt. V (TH) liegt zwischen 2 V und 4 V. Vcc ist 12V.

Hier ist die Lastlinie, die ich von meiner Schaltung gezeichnet habe.

Was ich hier aus den Antworten gewonnen habe, ist, dass der Arbeitspunkt zum Betreiben des MOSFET als Schalter nach links von der Lastlinie zeigen sollte. Habe ich recht in meinem Verständnis?

Und wenn man den obigen Graphen die MOSFET-Kennlinien aufdrückt, dann liegt der Arbeitspunkt im sogenannten "Linear / Triode" -Bereich. Tatsächlich sollte der Schalter diese Region so schnell wie möglich erreichen, um effizient zu arbeiten. Verstehe ich das oder irre ich mich?

Erstens bedeutet "Sättigung" in Mosfets, dass eine Änderung des VDS keine signifikante Änderung des Id (Drain-Strom) hervorruft. Sie können sich MOSFET in Sättigung als Stromquelle vorstellen. Das heißt, unabhängig von der Spannung über VDS (mit Grenzen natürlich) wird der Strom durch das Gerät (fast) konstant sein.

Nun zurück zu der Frage:

Laut Wikipedia ist der MOSFET in der Sättigung, wenn V (GS)> V (TH) und V (DS)> V (GS) - V (TH).

Das ist richtig.

Wenn ich die Gate-Spannung ab 0 langsam erhöhe, bleibt der MOSFET ausgeschaltet. Die LED beginnt, eine kleine Strommenge zu leiten, wenn die Gate-Spannung ungefähr 2,5 V beträgt.

Sie haben die Vgs über Vth des NMOS erhöht, sodass der Kanal gebildet wurde und das Gerät zu leiten begann.

Die Helligkeit nimmt nicht mehr zu, wenn die Gate-Spannung etwa 4 V erreicht. Die Helligkeit der LED ändert sich nicht, wenn die Gate-Spannung mehr als 4 V beträgt. Auch wenn ich die Spannung schnell von 4 auf 12 erhöhe, bleibt die Helligkeit der LED unverändert.

Sie haben die Vgs erhöht, sodass das Gerät mehr Strom leitet. Bei Vgs = 4V ist das, was die Strommenge begrenzt, nicht mehr ein Transistor, sondern ein Widerstand, den Sie mit dem Transistor in Reihe geschaltet haben.

Ich überwache auch die Drain-Source-Spannung, während ich die Gate-Spannung erhöhe. Die Drain-Source-Spannung fällt von 12 V auf nahe 0 V ab, wenn die Gate-Spannung etwa 4 V beträgt. Dies ist leicht zu verstehen: Da R1 und R (DS) einen Spannungsteiler bilden und R1 viel größer als R (DS) ist, fällt der größte Teil der Spannung an R1 ab. Bei meinen Messungen werden ungefähr 10 V an R1 und der Rest an der roten LED (2 V) abgenommen.

Hier sieht alles in Ordnung aus.

Da jedoch V (DS) jetzt ungefähr 0 ist, ist die Bedingung V (DS)> V (GS) - V (TH) nicht erfüllt, ist der MOSFET nicht in Sättigung?

Nein ist es nicht. Es liegt im linearen oder Triodenbereich. Es verhält sich in dieser Region wie ein Widerstand. Das erhöht Vds erhöht Id.

Wenn dies der Fall ist, wie würde man eine Schaltung entwerfen, in der sich der MOSFET in Sättigung befindet?

Du hast bereits. Sie müssen sich nur um den Betriebspunkt kümmern (stellen Sie sicher, dass die von Ihnen genannten Bedingungen erfüllt sind).

A) Im linearen Bereich können Sie Folgendes beobachten: -> Wenn Sie die Versorgungsspannung erhöhen, wird die LED heller, da der Strom zwischen Widerstand und Transistor ansteigt und somit mehr durch die LED fließt.

B) Im Sättigungsbereich wird etwas anderes passieren -> wenn die Versorgungsspannung erhöht wird, ändert sich die LED-Helligkeit nicht. Die zusätzliche Spannung, die Sie an die LIEFERUNG anlegen, führt nicht zu einem höheren Strom. Stattdessen wird es über den MOSFET geleitet, sodass die Drain-Spannung zusammen mit der Versorgungsspannung ansteigt (also bedeutet eine Erhöhung der Versorgung um 2 V eine Erhöhung der Drain-Spannung um fast 2 V).

Ich interpretiere die Bedeutung von "Sättigung" im Kontext des Wikipedia-Artikels wie folgt:

Das Datenblatt für einen MOSFET zeigt ein Diagramm mit Kurven, die eine bestimmte für eine bestimmte bei einer bestimmten , normalerweise für eine Reihe verschiedener -Werte.$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

In diesem Beispiel trennt die rote Parabel die so genannte "lineare" Region von der "Sättigungs" -Region. Im Sättigungsbereich sind die Leitungen flach - der Strom steigt nicht mehr an, wenn ansteigt. Im linearen Bereich nimmt mit zunehmendem zu - der MOSFET verhält sich wie ein Widerstand.$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

In Ihrer Situation befindet sich das Gerät nicht im Sättigungsbereich, vorausgesetzt, Ihr Teil hat ähnliche Kurven wie das Beispiel, technisch gesehen "Nein". ist Ihr so niedrig, dass der -Drop im Vergleich zum Vorwiderstand ist . Unabhängig davon, auf was ansteigt, ist der "lineare" Abfall des MOSFET im Vergleich zum Widerstand winzig und "sieht" gesättigt aus.$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Andere Antworten geben hier eine gute Erklärung des Begriffs "Sättigung", wie er auf MOSFETs angewendet wird.

Ich werde hier nur bemerken, dass diese Verwendung sehr unterschiedlich ist zu dem, was für Bipolartransistoren und einige andere Geräteklassen gedacht ist.

Der Begriff wird korrekt für MOSFETs verwendet, bei denen

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

ABER es hätte nie sein dürfen.
Aber es ist so, sei dir dessen bewusst.

Ein Bipolartransistor (und NICHT ein MOSFET) ist "in Sättigung", wenn er hart angeschaltet ist. Die äquivalente Bedingung in einem Anreicherungsmodus-MOSFET (der gebräuchlichsten Art) ist, dass er "vollständig erweitert" ist, ABER der richtige Begriff dafür wurde bereits gestohlen.

Hinzugefügt:

Ein MOSFET wird durch eine an das Gate angelegte Spannung relativ zur Source = Vgs "eingeschaltet".
Die erforderlichen Vgs, bei denen der FET einzuschalten beginnt und eine definierte Strommenge leitet, sind als "Gate-Schwellenspannung" oder nur "Schwellenspannung" bekannt und werden üblicherweise als Vgsth oder Vth oder dergleichen geschrieben.
Vth gibt einen Hinweis darauf, wie viel Spannung benötigt wird, um den FET als Schalter zu betreiben, ABER die tatsächliche, vollständig verbesserte Vgs beträgt typischerweise ein Mehrfaches von Vgsth. Die für die vollständige Verbesserung erforderlichen Vgs variieren mit den gewünschten IDs.

Dieser Graph, kopiert aus Madmangurumans Antwort, zeigt, dass bei Vgs = 7V die Ids / Vds-Beziehung ungefähr linear bis zu ungefähr Ids = 20A ist, so dass der FET "vollständig verbessert" ist und bis zu diesem Punkt wie ein Widerstand aussieht. Für diesen FET ist Vds ungefähr 1,5 V bei ungefähr 20 A, so dass Rdson ungefähr R = V / I = 1,5 / 20 = 75 Milliohm ist.
Für diesen FET gibt es eine Kurve bei Vgs = 1 V, so dass VGSth = Vth wahrscheinlich im Bereich von 0,5 V bis 0,8 V bei beispielsweise 100 uA liegt.

Was Sie tun müssen, um die Sättigung zu sehen, ist, genügend Spannung zu liefern, bis der Spannungsanstieg letztendlich keinen Unterschied zum Strom macht.
Stellen Sie dazu Vgs auf einen statischen Einschaltwert (> Vth) ein, erhöhen Sie dann die Spannung an Vds und messen Sie den Strom. Anfangs steigt es ziemlich linear an, wobei es sich im ohmschen oder linearen Bereich befindet, aber es wird schließlich abgeflacht und bleibt trotz weiteren Erhöhens des Stroms durch den MOSFET gleich.

In Bezug auf die Definition der Sättigung verstehe ich die Sättigung / Linearität in MOSFETs als ungefähr das Gegenteil dessen, was sie in einem BJT tun. Dieses Dokument (unter MOSFET-Charakterisierung ein paar Seiten in) schlägt Ähnliches vor, aber solange Sie verstehen, wie sie funktionieren und was Sie unter dem Begriff verstehen , sollten Sie in Ordnung sein (zumindest bis Sie mit jemandem über Transistoren diskutieren :-)).

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

Auf dieser Seite befindet sich ein gutes MOSFET-Simulator-Applet. Ich hoffe, es hilft.
Auch ich habe vor einiger Zeit eine ähnliche Frage gestellt ; Sie können sich auch darauf beziehen.

B) Im Sättigungsbereich wird etwas anderes passieren -> wenn die Versorgungsspannung erhöht wird, ändert sich die LED-Helligkeit nicht. Die zusätzliche Spannung, die Sie an die LIEFERUNG anlegen, führt nicht zu einem höheren Strom. Stattdessen wird es über den MOSFET geleitet, sodass die Drain-Spannung zusammen mit der Versorgungsspannung ansteigt (also bedeutet eine Erhöhung der Versorgung um 2 V eine Erhöhung der Drain-Spannung um fast 2 V).

Wie? Durch Erhöhen der Versorgung sollte die V ds nur um Id X Rds (on) erhöht werden. Berücksichtigt man, dass die LED fast den gleichen Spannungsabfall in Durchlassrichtung aufweist, muss die erhöhte Spannung von dem Vorwiderstand und dem Gerät geteilt werden. Da der Widerstand einen viel größeren Wert hat (390 Ohm im Vergleich zu 0,8 Ohm des Geräts), muss der Hauptanteil des Spannungsabfalls über den Widerstand liegen. Darüber hinaus tritt mit zunehmendem Widerstand mit Sicherheit ein Anstieg des Drainstroms auf. MOSFET-Verluste werden im Ruhezustand als Quadrat des Stroms multipliziert mit Rds (ein) berechnet. Daher ist die Beobachtung "Die Drainspannung steigt zusammen mit der Versorgungsspannung an (eine Erhöhung der Versorgung um 2 V bedeutet eine Erhöhung der Drainspannung um fast 2 V)" falsch