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Il MOS
Il (transistor) MOS è un componente a tre terminali: Gate, Drain, Source.
Sinonimi sono (transistor) MOSFET oppure transistor metallo-ossido ad
effetto di campo.
Il MOS di potenza è usato nelle applicazioni con correnti elevate e
tensioni medie. Rispetto agli altri dispositivi di potenza a semiconduttore i
suoi principali punti di forza sono:
- l'elevata velocità di commutazione
- la bassa perdita di potenza, soprattutto a basse tensioni
- la (relativa) facilità di pilotaggio
- la possibilità di mettere in parallelo più dispositivi per aumentare
la corrente
Esistono diversi tipi di MOS e, più in generale, di transistor ad effetto
di campo. Qui verrà esaminato solo il MOSFET enhancement a canale N, il più
utilizzato in applicazioni ON/OFF di potenza.
Il simbolo riportato a sinistra è quello previsto dalle norme, quello
centrale è “semplificato” e spesso usato in applicazioni digitali. Quello di
destra è preso da un foglio tecnico e mette in evidenza la presenza di un
diodo, sempre presente. Tutti i simboli rappresentano lo stesso componente!
Il MOS ha due modalità principali di funzionamento: come amplificatore
lineare e come interruttore ma qui verrà esaminato solo quest'ultima
(sinonimi: funzionamento ON/OFF, in commutazione, switching...).
Il funzionamento semplificato
Il funzionamento (come interruttore) è il seguente:
- Se la tensione tra Gate e Source VGS è nulla, la corrente entrante
nel Drain ID e quella uscente dal Source IS sono nulle. Si tratta quindi
di un comportamento simile ad un interruttore aperto.
- Se la tensione tra Gate e Source VGS è sufficiente, possiamo avere
una corrente ID entrante dal Drain ed uscente del Source. La tensione
tra D e S (VDS) è molto bassa, spesso approssimata a 0 V. Si tratta
quindi di un comportamento simile ad un interruttore chiuso (o ad una
resistenza di valore molto-molto piccolo)
Osservazioni
- Apparentemente la corrente può scorrere sia tra Drain e Source che
viceversa, ma nei dispositivi reali la corrente deve sempre essere
uscente dal Source (si noti, nel simbolo “semplificato”, il verso della
freccia sul Source).
- Analogamente la tensione sul Drain deve sempre essere maggiore della
tensione sul Source (si noti la presenza del diodo)
- La corrente di Gate è praticamente nulla. O meglio: il Gate si
comporta come un condensatore; si noti come è disegnato il simbolo
“semplificato”. Quindi, una volta caricato, il Gate si comporta come un
circuito aperto.
- La tensione VGS necessaria per mandare in conduzione il MOS è circa
10 V. Esistono MOS di tipo Logic Level, in grado di funzionare anche a
tensioni inferiori (3 – 5 V), ma in genere hanno prestazioni peggiori
- Quando il MOS conduce, il collegamento tra Drain e Source può essere
pensato come una resistenza molto piccola (per esempio: 0,5 Ω o anche
molto meno).
- La massima corrente di Drain, a secondo del tipo di MOS, può andare
da 1 a 150 A e più
- La massima tensione di funzionamento (tensione di rottura), a
secondo del tipo di MOS, varia da 20 a 600 V e più
Applicazione semplificata: low-side (sink)
Accensione di una lampadina (100 W, 100 V, quindi 1 A)
comandata da una porta logica. Si ricordi che una porta logica fornisce in
uscita al massimo 10-20 mA.
- Se l'uscita della porta logica è bassa (0 V) il MOS non conduce
(interruttore aperto) e quindi la lampadina è spenta.
- Se l'uscita della porta logica è alta il MOS conduce (è una resistenza
molto piccola, per esempio 0,5 Ω) e quindi la lampadina è accesa.
Quesiti
- Quanta potenza viene dissipata dalla lampadina
quando è accesa?
- Quanta potenza viene dissipata dal MOS quando la lampadina
è accesa?
- Quanta potenza viene dissipata quando la lampadina è spenta?
Osservazioni
- Serve una porta logica funzionante a 10 V (quindi CMOS, TTL
non è adatta). In alternativa serve un MOS Logic Level oppure una porta open
collector con relativa resistenza di pull-up. O meglio ancora un
circuito specializzato nel pilotaggio dei MOS.
- Questo circuito è solo di
principio. Nella realtà è spesso più complesso per esempio per garantire sicurezza alle
persone e alle apparecchiature (per esempio: non è saggio collegare
direttamente una batteria dal 100 V ad un PC)
Applicazione semplificata: high-side
(source)
In alcune applicazione è necessario collegare il carico a massa.
- Se l'uscita della porta logica è bassa il MOS non conduce
(interruttore aperto) e quindi la lampadina è spenta. La situazione è identica
alla precedente
- Se la VGS è pari a 10 V il MOS conduce e quindi la lampadina è accesa.
L'accensione del MOS complica notevolmente il circuito di pilotaggio
rispetto all'esempio precedente. Si può infatti osservare che, quando la
lampadina è accesa, la tensione sul Source è praticamente pari a 100 V e quindi la
tensione sul Gate deve essere di 110 V, tensione molto elevata e superiore
alla tensione di alimentazione.
Osservazione
- Evidentemente una normale "porta logica" è assolutamente inadatta
per fornire una tensione così elevata in un circuito high-side
Esaminiamo ora un componente reale, rendendo meno semplicistica la
trattazione: Un MOS reale: STB100NF04
