MOSFET sebagai Saklar dan Relay

MOSFET sebagai Saklar elektronik sangat bagus untuk mengendalikan beban dan rangkaian digital CMOS saat mereka beroperasi di antara daerah cut-off dan saturasi mereka.

Kami melihat sebelumnya, bahwa kanal-N, mode Enhancement MOSFET (E-MOSFET) beroperasi menggunakan voltase input positif dan memiliki resistansi input yang sangat tinggi (hampir tak terbatas) sehingga memungkinkan untuk berinteraksi dengan hampir semua gerbang logika atau penggerak yang mampu menghasilkan output positif.

Kita juga melihat bahwa karena resistansi Input (Gerbang) yang sangat tinggi ini kita bisa sejajarkan dengan berbagai MOSFET yang berbeda sampai kita mencapai kapasitas penanganan arus yang kita butuhkan.

Sementara menghubungkan bersama-sama berbagai MOSFET secara paralel dapat memungkinkan kita untuk beralih arus tinggi atau beban tegangan tinggi, sehingga menjadi mahal dan tidak praktis di kedua komponen dan ruang papan sirkuit. Untuk mengatasi masalah ini Power Field Effect Transistor atau Daya FET di mana dikembangkan.

Kita sekarang tahu bahwa ada dua perbedaan utama antara transistor efek medan, mode penipisan hanya untuk mode JFET dan mode peningkatan dan mode D-MOSFET. Dalam tutorial ini kita akan melihat menggunakan mode E-MOSFET sebagai Saklar karena transistor ini membutuhkan voltase gerbang positif untuk menghidupkan “ON” dan voltase nol untuk menghidupkan “OFF” sehingga mudah dikenali sebagai saklar dan juga mudah untuk dihubungkan dengan gerbang logika

Pengoperasian E-MOSFET, paling baik dijelaskan dengan menggunakan kurva karakteristik I-V yang ditunjukkan di bawah ini. Bila tegangan input , ( V_IN) ke gerbang transistor adalah nol, MOSFET melakukan hampir tidak ada arus dan tegangan output ( V_OUT ) sama dengan tegangan supply  V_DD. Jadi MOSFET “OFF” beroperasi di dalam wilayah “cut-off” -nya.

Kurva Karakteristik MOSFET

Tegangan minimum gerbang keadaan-ON yang diperlukan untuk memastikan bahwa MOSFET tetap “ON” saat membawa arus drain yang dipilih dapat ditentukan dari kurva transfer V-I di atas. Bila V_IN TINGGI atau sama dengan V_DD, titik-Q MOSFET bergerak ke titik A di sepanjang garis beban.

Arus drain I_D meningkat sampai nilai maksimumnya karena pengurangan resistansi kanal. I_D menjadi nilai konstan yang bebas dari V_DD, dan bergantung hanya pada V_GS. Oleh karena itu, transistor berperilaku seperti sakelar tertutup namun kanal resistansi-ON tidak mengurangi sepenuhnya ke nol karena R_DS(on) nilaiya, namun menjadi sangat kecil.

Demikian juga, ketika V_IN RENDAH atau dikurangi menjadi nol, titik-Q MOSFET bergerak dari titik A ke titik B sepanjang garis beban. Resistansi kanal sangat tinggi sehingga transistor berfungsi seperti rangkaian terbuka dan arus tidak mengalir melalui kanal. Jadi, jika tegangan gerbang MOSFET matikan antara dua nilai, TINGGI dan RENDAH MOSFET akan berperilaku sebagai saklar “single-pole single-throw” (SPST) dan tindakan ini didefinisikan sebagai:

1. Daerah Cut-off

Di sini kondisi operasi transistor adalah gerbang tegangan input (V_IN) nol, arus drain nol I_D dan tegangan output V_DS = V_DD. Oleh karena itu untuk jenis perangkat E-MOSFET kanal konduktif tertutup dan perangkat beralih “OFF”.

Karakteristik Cut-off

Input dan Gerbang digroundkan (0V)
• Tegangan gerbang-sumber kurang dari tegangan ambang V_GS<V_TH
• MOSFET adalah “OFF” (daerah cut-off )
• Tidak ada arus listrik yang mengalir ( I_D= 0 Amp )
•  V_OUT = V_DS = V_DD  = “1”
• MOSFET beroperasi sebagai “saklar terbuka”

Kemudian kita dapat menentukan daerah cut-off atau “mode OFF” saat menggunakan E-MOSFET sebagai saklar sebagai, tegangan gerbang, V_GS <V_TH dan I_D = 0 . Untuk E-MOSFET kanal-P, potensi Gerbang harus lebih positif berkenaan dengan Sumber.

2. Daerah Saturasi

Di daerah saturasi atau linier, transistor akan bias sehingga jumlah maksimum tegangan gerbang diterapkan ke perangkat yang menghasilkan kanal resistansi R_DS(on) sekecil mungkin dengan arus drain maksimum yang mengalir melalui saklar MOSFET. Oleh karena itu untuk jenis perangkat E-MOSFET kanal konduktif terbuka dan perangkat beralih”ON”.

Karakteristik Saturasi

Input dan Gerbang terhubung ke V_DD
• Tegangan sumber gerbang jauh lebih besar dari tegangan ambang V_GS> V_TH
• MOSFET adalah “ON” (daerah saturasi)
• Arus Drain Max mengalir ( I_D= V_DD / R_L )
• V_DS = 0V (saturasi ideal)
• Kanal-resistansi Min R_DS(on)  < 0.1Ω
• V_OUT = V_DS ≅ 0.2V karena R_DS(on)
• MOSFET beroperasi sebagai resistansi rendah “sakelar tertutup”

Kemudian kita bisa menentukan daerah saturasi atau “mode ON” saat menggunakan e-MOSFET sebagai saklar sebagai tegangan gerbang-sumber , V_GS > V_TH dan I_D = Maximum . Untuk E-MOSFET kanal-P, potensi Gerbang harus lebih negatif berkenaan dengan Sumber.

Dengan menerapkan voltase penggerak yang sesuai ke gerbang FET, resistansi kanal sumber drain, R_DS(on) dapat bervariasi dari “resistansi-OFF” dari ratusan kΩ, secara efektif merupakan rangkaian terbuka, ke sebuah “resistansi-ON” kurang dari 1Ω, efektif bertindak sebagai korsleting.

Bila menggunakan MOSFET sebagai saklar kita bisa menggerakkan MOSFET untuk menghidupkan “ON” lebih cepat atau lebih lambat, atau melewati arus tinggi atau rendah. Kemampuan ini untuk mematikan power MOSFET “ON” dan “OFF” memungkinkan perangkat tersebut digunakan sebagai saklar yang sangat efisien dengan kecepatan switching yang jauh lebih cepat daripada transistor junction bipolar standar.

Contoh penggunaan MOSFET sebagai Saklar

Dalam rangkaian ini, mode E-MOSFET kanal-N digunakan untuk saklar lampu sederhana “ON” dan “OFF” (bisa juga berupa LED).

Tegangan input gerbang V_GS dibawa ke tingkat tegangan positif yang sesuai untuk menghidupkan perangkat dan oleh karena itu beban lampu baik “ON”, ( V_GS =  +ve ) atau pada tingkat tegangan nol yang mengubah perangkat “OFF”, ( V_GS = 0V ).

Jika beban resistif lampu diganti dengan beban induktif seperti coil, solenoid atau relay, sebuah “dioda flyeheel” diperlukan bersamaan dengan beban untuk melindungi MOSFET dari gema belakang yang dihasilkan sendiri.

Di atas menunjukkan rangkaian yang sangat sederhana untuk mengganti beban resistif seperti lampu atau LED. Tetapi bila menggunakan daya MOSFET untuk saklar baik beban induktif atau kapasitif, beberapa bentuk proteksi diperlukan untuk mencegah perangkat MOSFET rusak. Penggerak beban induktif memiliki efek berlawanan dari penggerak muatan kapasitif.

Sebagai contoh, sebuah kapasitor tanpa muatan listrik adalah hubung singkat, menghasilkan “arus masuk” arus yang tinggi dan saat kita melepaskan voltase dari beban induktif, kita memiliki tegangan balik yang besar saat medan magnet runtuh, sehingga terjadi diinduksi ggl-kembali dalam gulungan induktor.

Kemudian kita dapat meringkas karakteristik switching dari kedua kanal N dan kanal-P MOSFET dalam tabel berikut.

Tipe MOSFET	VGS (+ve)	VGS (0V)	VGS (-ve)
E-MOSFET Kanal-N	ON	OFF	OFF
D-MOSFET Kanal-N	ON	ON	OFF
E-MOSFET Kanal-P	OFF	OFF	ON
D-MOSFET Kanal-P	OFF	ON	ON

Perhatikan bahwa tidak seperti MOSFET kanal-N yang terminal gerbangnya harus dibuat lebih positif (menarik elektron) daripada sumber yang memungkinkan arus mengalir melalui kanal, konduksi melalui MOSFET kanal-P disebabkan oleh aliran lubang. Itu adalah terminal gerbang dari MOSFET kanal-P harus dibuat lebih negatif dari pada sumbernya dan hanya akan berhenti melakukan (cut-off) sampai gerbang lebih positif dari pada sumbernya.

Jadi untuk jenis perangkat daya untuk E-MOSFET beroperasi sebagai perangkat switching/peralihan analog, perlu beralih antara “Wilayah Cut-off” di mana: V_GS = 0V (atau V_GS = -ve ) dan “Wilayah Saturasi” di mana: V_GS(on)  = ve . Daya yang dihamburkan pada MOSFET ( P_D ) bergantung pada arus yang mengalir melalui kanal I_D pada saturasi dan juga “ON-restintansi” pada kanal yang diberikan sebagai R_DS(on). Sebagai contoh.

Contoh MOSFET sebagai Saklar No.1

Mari kita asumsikan bahwa lampu diberi nilai 6v, 24W dan sepenuhnya “ON”, MOSFET standar memiliki kanal resistansi-on (R_DS(on) ) pada nilai 0.1ohm. Hitung daya yang hilang dalam perangkat switching MOSFET.

Arus yang mengalir melalui lampu dihitung sebagai:

Kemudian daya yang hilang di MOSFET akan diberikan sebagai:

Anda mungkin duduk di sana berpikir, nah apa !, tapi saat menggunakan MOSFET sebagai saklar untuk mengendalikan motor DC atau beban listrik dengan arus masuk arus yang tinggi, “ON” kanal-resistansi (R_DS(on) ) antara kanal drain/pembuangan dan sumbernya sangat penting. Sebagai contoh, MOSFET yang mengendalikan motor DC, mengalami arus tergesa-gesa saat motor mulai berputar, karena motor yang mulai arus hanya dibatasi oleh nilai resistansi yang sangat rendah dari gulungan motor.

Karena hubungan dasar power adalah: P = I²R , maka nilai resistansi kanal R_DS(on) yang tinggi hanya akan menghasilkan sejumlah besar daya yang hilang dan terbuang dalam MOSFET itu sendiri sehingga terjadi kenaikan suhu yang berlebihan, yang jika tidak dikendalikan bisa mengakibatkan MOSFET menjadi sangat panas dan rusak akibat panas berlebihan.

Nilai R_DS(on) yang lebih rendah untuk resistansi kanal juga merupakan parameter yang diinginkan karena membantu mengurangi voltase saturasi kanal yang efektif ( V_DS(sat)  =  I_D*R_DS(on) ) melintasi MOSFET dan karenanya akan beroperasi. pada suhu yang lebih dingin. MOSFET Daya umumnya memiliki nilai R_DS(on) kurang dari 0,01Ω yang memungkinkannya beroperasi lebih dingin, memperpanjang masa pakai operasional mereka.

Salah satu keterbatasan utama saat menggunakan MOSFET sebagai perangkat switching adalah arus penguras maksimum yang bisa di handle. Jadi parameter R_DS(on) adalah panduan penting untuk efisiensi switching MOSFET dan hanya diberikan sebagai rasio V_DS/I_D saat transistor dinyalakan “ON”.

MOSFET Daya yang digunakan sebagai saklar umumnya memiliki proteksi arus lonjakan yang terpasang pada desainnya, namun untuk aplikasi arus tinggi, transistor junction bipolar adalah pilihan yang lebih baik.

Power MOSFET Motor Kontrol

Karena resistansi input atau gerbang yang sangat tinggi yang dimiliki MOSFET, kecepatan peralihannya yang sangat cepat dan kemudahan di mana mereka dapat didorong membuat mereka ideal untuk berinteraksi dengan op-amp atau gerbang logika standar.

Namun, perhatian harus dilakukan untuk memastikan bahwa tegangan input sumber gerbang dipilih dengan benar karena bila menggunakan MOSFET sebagai saklar , perangkat harus memperoleh resistansi kanal R_DS yang rendah sebanding dengan tegangan gerbang input ini.

MOSFET tipe daya ambang rendah mungkin tidak beralih “ON” sampai paling sedikit 3V atau 4V telah diterapkan ke gerbangnya dan jika output dari gerbang logika hanya + 5V logika, ini mungkin tidak cukup untuk sepenuhnya mengarahkan MOSFET ke saturasi. Menggunakan MOSFET ambang bawah yang dirancang untuk berinteraksi dengan gerbang logika TTL dan CMOS yang memiliki ambang batas serendah 1.5V sampai 2.0V yang tersedia.

Power MOSFET dapat digunakan untuk mengendalikan pergerakan motor DC atau motor stepper tanpa brushless langsung dari logika komputer atau dengan menggunakan pengontrol tipe pulse-width modulation (PWM). Sakelar MOSFET bersama dengan PWM dapat digunakan sebagai pengendali kecepatan yang sangat bagus yang akan memberikan operasi motor yang halus dan tenang.

Power MOSFET Motor Kontrol Sederhana

Karena beban motor bersifat induktif, dioda flywheel sederhana dihubungkan melintasi beban induktif untuk mengusir arus balik yang dihasilkan oleh motor saat MOSFET mengubahnya menjadi “OFF”. Jaringan penjepitan yang dibentuk oleh dioda zener secara seri dengan dioda juga dapat digunakan untuk memungkinkan perpindahan yang lebih cepat dan kontrol yang lebih baik pada tegangan balik puncak dan waktu drop-out.

Untuk keamanan tambahan, sebuah silikon tambahan atau dioda zener D₁ juga dapat ditempatkan di kanal sakelar MOSFET saat menggunakan beban induktif, seperti motor, relay, solenoida, dan lain-lain, untuk menekan transien perpindahan tegangan dan kebisingan yang memberi perlindungan ekstra pada MOSFET saklar jika diperlukan. Resistor R_GS digunakan sebagai resistor pull-down untuk membantu menarik tegangan keluaran TTL sampai 0V saat MOSFET beralih “OFF”.

Saklar MOSFET Kanal-P

Sejauh ini kita telah melihat MOSFET Kanal-N sebagai saklar MOSFET yang ditempatkan di antara beban dan ground. Ini juga memungkinkan gerbang MOSFET atau sinyal pengalihan untuk dirujuk ke ground (switching sisi rendah).

Namun pada beberapa aplikasi kita memerlukan penggunaan mode E-MOSFET kanal-p yang bebannya terhubung langsung ke ground. Dalam hal ini sakelar MOSFET dihubungkan antara beban dan rel supply positif (switching sisi tinggi) seperti yang kita lakukan dengan transistor PNP.

Pada perangkat kanal-P, aliran arus drain konvensional berada dalam arah negatif sehingga tegangan sumber gerbang negatif diterapkan untuk menghidupkan “ON” transistor.

Hal ini dicapai karena MOSFET kanal-P “terbalik” dengan terminal sumbernya terkait dengan supply positif +V_DD. Kemudian saat saklar menyala RENDAH, MOSFET menyala “ON” dan saat saklar dinyalakan TINGGI, MOSFET berubah “OFF”.

Sambungan terbalik dari perangkat mode E-MOSFET kanal-P memungkinkan kita menghubungkannya secara seri dengan perangkat mode E-MOSFET kanal-N untuk menghasilkan perangkat switching pelengkap atau CMOS seperti yang ditunjukkan pada supply ganda.

Komplementer MOSFET Motor Kontrol

Dua MOSFET dikonfigurasikan untuk menghasilkan sebuah saklar bi-directional dari supply ganda dengan motor yang dihubungkan antara koneksi drain dan referensi ground. Bila input RENDAH maka MOSFET kanal-P dinyalakan-ON sebagai gate-source sambunganya bias negatif sehingga motor berputar dalam satu arah. Hanya supply rel positif +V_DD yang digunakan untuk menggerakkan motor.

Bila inputnya TINGGI, perangkat kanal-P saklar-OFF dan perangkat kanal-N saklar-ON sebagai sumber gerbang sambunganya bias positif. Motor sekarang berputar dalam arah yang berlawanan karena tegangan motor terminal telah terbalik seperti yang sekarang disediakan oleh supply negatif –V_DD .

Kemudian MOSFET kanal-P digunakan untuk mengalihkan supply positif ke motor ke arah depan (switching sisi tinggi) sedangkan MOSFET kanal-N digunakan untuk mengalihkan supply negatif ke motor untuk arah sebaliknya (switching sisi rendah) .

Ada berbagai konfigurasi untuk menggerakkan dua MOSFET dengan berbagai aplikasi. Baik kanal-P maupun perangkat kanal-N dapat digerakkan oleh IC penggerak gerbang tunggal seperti yang ditunjukkan.

Namun, untuk menghindari konduksi silang dengan kedua MOSFET yang melakukan sekaligus pada dua polaritas dari supply ganda, perangkat peralihan cepat diharuskan memberikan beberapa perbedaan waktu antara keduanya dengan memutar “OFF” dan putaran lainnya “ON”.

Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan menggerakkan kedua gerbang MOSFET secara terpisah. Ini kemudian menghasilkan pilihan ketiga “STOP” ke motor saat kedua MOSFET “OFF”.

Tabel Kontrol Motor MOSFET Komplementer

MOSFET 1	MOSFET 2	Fungsi Motor
OFF	OFF	Motor Berhenti (OFF)
ON	OFF	Motor Berputar Maju
OFF	ON	Motor Berputar Mundur
ON	ON	TIDAK DIIZINKAN

Harap dicatat penting bahwa tidak ada kombinasi input lain yang diizinkan bersamaan karena hal ini dapat menyebabkan catu daya menjadi korsleting, karena kedua MOSFET, FET₁ dan FET₂ dapat diaktifkan “ON” bersama-sama menghasilkan: ( sekering = meleduk!),

 

Refferensi : https://goo.gl/1fhUWB