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STB100NF04
In questa pagina viene descritto un MOS reale. Il comportamento
estremamente semplificato è stato descritto nella pagina
Il MOS in ON/OFF. In questa pagina vengono approfonditi alcuni aspetti
in riferimento ad un componente reale.
Innanzitutto occorre leggere i fogli
tecnici del MOS. Useremo come esempio un STB100NF04, definito dal
produttore come Power MOSFET N-channel 40 V, 0.0043 Ω typ, 120 A.
La prima tabella mostra i valori massimi assoluti, superati i quali il
costruttore non garantisce più la sopravvivenza del componente. Sono
evidenziati quelli che possono essere considerati i parametri fondamentali.
- La massima tensione VDS e la massima corrente ID sono le
caratteristiche principali del componente e possono variare di molto tra
le varie sigle.
- La massima tensione VGS è una valore comune a quasi tutti i MOS di
potenza
- Con temperature di giunzione TJ si intende la massima (e anche
minima) temperatura che può essere raggiunta all'interno del componente
- Le due caselle in verde indicano il legame tra temperatura e potenza
elettrica. Il concetto verrà ripreso più avanti.
In genere è bene rimanere lontani da tutti i limiti presentati.
Questa tabella mostra alcuni valori "consigliati", in condizioni
statiche, cioè senza cambiamenti rapidi nel tempo
-
La tensione VGS di soglia indica la tensione tra Gate e Source appena
sufficiente per far condurre il MOS. Questo non è il valore per il
funzionamento ideale. Se VGS è minore, il MOS è un interruttore aperto.
-
La RDS(on) è la resistenza misurata tra Drain e Source quando il MOS
conduce bene, cioè la tensione tra Gate e Source è di 10 V. Questa è la
tensione tra Gate e Source raccomandata.
Questa tabella descrive le caratteristiche del MOS legate alla sua
velocità.
- La capacità CISS è quella di ingresso, tra Gate e
Source. È importante perché ogni volta che il MOS viene acceso occorre
caricare tale condensatore ed ogni volta che il MOS viene spento occorre
scaricarlo.
- I tempi di salita e discesa sono piccoli, ma non nulli.
Osservazioni
- E' bene che i tempi di carica/scarica siano piccoli, come
descritto poco
più avanti
- La CISS è fortemente non lineare, non vale cioè la relazione lineare
tra carica accumulata e tensione. In particolare il legame tra tensione
e tempo durante la carica o la scarica non è quindi una curva
esponenziale
Questo grafico mostra cosa succede alla corrente di Drain (ID) e alla
tensione tra Drain e Source (VDS) al variare della tensione tra Gate e
Source (VGS).
Sono evidenziate due aree:
- In verde la zona lineare, in corrispondenza di VGS = 10 V. Il legame
tra I e V è una retta passante per l'origine, cioè il MOS si comporta
come una resistenza, peraltro molto piccola, quasi un interruttore
chiuso. Quanto vale tale resistenza (legge di ohm)? Dove abbiamo già
visto questo numero? Quanto vale la potenza dissipata dal MOS?
- In giallo la zona in cui la corrente è nulla, quindi il MOS si
comporta come un interruttore aperto. VGS deve essere piccola, meglio se
0 V (non appare scritto, il valore più piccolo indicato è 5 V). Quanto
vale la potenza dissipata?
L'ultimo grafico mostra l'area in cui il funzionamento del MOS risulta
"sicuro": è corretto il funzionamento solo se il punto individuato da ID e
VDS cade all'interno dell'area colorata. Tale area è spesso indicata come
SOA.
Se ricordiamo che il prodotto di tensione e corrente è la potenza
dissipata, possiamo comprendere perché il produttore indica tra i
massimi assoluti anche un valore di potenza massima.
Osservazioni
- Nella figura sono indicate ben 4 diverse SOA, in funzione della
durata per cui tensione e corrente sono applicate: per brevi istanti è
possibile "uscire" dall'area indicata, purché vengano rispettati i tempi
e i valori indicati nel grafico dalle altre curve.
- Il grafico è relativo alla temperatura del contenitore di 25 °C. Se
tale temperatura
aumenta occorre procedere un restringimento dell'area, calcolabile a
partire dal fattore di derating, riportato tra i
massimi assoluti e pari per questo componente a 2 W/°C. Il calcolo
effettivo è al di fuori degli scopi di questo scritto, ma, se la
temperatura sale per esempio a 35 °C (+ 10 °C), la potenza che può
essere gestita scende da 150 W a 130 W (-20 W)
L'ultima tabella mostra la resistenza termica: per ogni watt dissipato
dal MOS, la temperatura sale del valore indicato. La grandezza evidenziata è
relativa all'assenza di dissipatore. Per una spiegazione ed un
approfondimento: Calcolare la
temperatura di giunzione.
Si noti che tale valore è principalmente dovuto al contenitore (TO-220
nell'esempio) e non al MOS in quanto tale.
Quesiti
Applichiamo i numeri di questo MOS al circuito di esempio, sia con
lampadina accesa che lampadina spenta:
- Quanto vale la resistenza totale collegata alla batteria?
- Quanto vale la corrente?
- Quale tensione troviamo ai capi della lampadina?
- Quale tensione troviamo tra Drain e Source?
- Quanta potenza (utile) è usata dalla lampadina?
- Quanta potenza (sprecata) viene dissipata dal MOS?
- Di quanto sale la temperatura del MOS?
- Esistono valori che escono dalla SOA oppure superano i massimi
assoluti?
