MOSFET (모스펫을 사용한 스위치 회로)

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MOSFET 를 사용한 switching 회로

arduino 등 디지털 신호로 회로를 켜고 끄는 스위칭회로를 구현하기 위해 일반적으로 가장 먼저 생각할 수 있는 방법은 트랜지스터일것이다. 그러나 led strip이나 대형 모터와 같이 많은 전류를 사용하는 경우 일반적인 트랜지스터의 200~800mA의 정격용량으로는 감당하지 못한다. 이 때 transistor 대신 사용 할 수 있는 것이 IRLB8721 IRFZ44N등 MOSFET. 기본적인 용도는 트랜지스터와 동일하게 증폭 / switching 이며, 더 높은 전압, 더 많은 전류를 허용한다. 대신 동작속도는 접합형 TR보다 다소 느리다. 트랜지스터와는 달리 순수하게 (전류아닌) 전압으로 제어한다.

TP120등 달링턴 트랜지스터는 일반 BJT 트랜지스터를 2개 연속 연결해 한 묶음으로 묶은 것인데 전압 손실과 열 발산에서 MOSFET이 더 유리하다고 한다.

MOSFET

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Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 의 약자로 Fieㅣd Effect(전계효과)를 사용하기에 이런 이름이 붙었다. GATE 터미널에 전압(Gate-source Voltage, VGS)이 가해지면 Source와 Drain 터미널 사이에 전류가 흐르거나 끊기도록 할 수 있다.

^ 위 기호에서 보이는 Substrate 단자는 일반적으로 Source에 연결되어있어 생략된다.

  • 모델마다 특정 VGS 에서 허용하는 전류가 다르므로 작은 신호전압(3.3V) 을 사용하거나 큰 전류를 사용하는 경우 데이터시트를 확인하자.

N-channel 과 P-Channel.

  • N-channel MOSFET (NMOS): 소스와 드레인 터미널이 N 물질로, 몸통은 P물질로 만들어져 전자의 이동에 의해 전류를 제어한다.
  • P-channel MOSFET (PMOS): 소스와 드레인 터미널이 P 물질로, 몸통은 N물질로 만들어져 전공의 이동에 의해 전류를 제어한다.

Depletion Mode, Enhancement Mode

N-channel type 에서...

  • Depletion Mode: GATE terminal에 전압(VGS)이 0이상인 경우 전류가 흐르고 있다가, -전압을 인가했을 때 전류가 줄어들어 OFF되는 제품. 자주 사용되지는 않음.
  • Enhancement Mode: GATE terminal에 전압(VGS)이 0이하인 경우 전류가 OFF이다가 +전압을 인가하면(좀 더 정확히는 threshold 이상의 전압,VTHsub>) 전류가 흐르는 제품. 스위치 용도로 좋기 때문에 널리 사용됨.

P-channel type 에서...

  • Depletion Mode: GATE terminal에 전압(VGS)이 0이하인 경우 전류가 흐르고 있다가, +전압을 인가했을 때 전류가 줄어들어 OFF되는 제품.
  • Enhancement Mode: GATE terminal에 전압(VGS)이 0이상인 경우 전류가 OFF이다가 -전압을 인가하면 전류가 흐르는 제품.
MOSFET type VGS = +ve VGS = 0 VGS = -ve
N-Channel Depletion ON ON OFF
N-Channel Enhancement ON OFF OFF
P-Channel Depletion OFF ON ON
P-Channel Enhancement OFF OFF ON

N-channel MOSFET 스위치 회로

가장 기본적인 회로

  • npn 트랜지스터 스위치 회로와 비슷하다고 생각해도 좋다.
  • 전자를 사용해 전류를 이동시키는 N-channel이므로 SOURCE terminal은 GND에 연결.
  • 신호 전압 Vin를 Gate 에 연결.
  • Rgs는 pull-down 저항. arduino의 출력핀에 연결한다면 필요없다.
  • Rin으로 VGS를 max값 아래로 유지한다. 아두이노에 연결한다면 구지 필요 없다.
  • Drain쪽에 로드를 연결한다. 모터 등 인덕턴스가 있어 역전류가 우려되는 상황이라면 플라이휠 다이오드를 달아준다.

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참고

영문 자료: https://www.electronics-tutorials.ws/transistor/tran_6.html

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