Dernière mise à jour le 31/01/2016

Présentation


Le but de ces présents articles, est de montrer quelques exemples avec différents transistors MOSFET (Canal N et Canal P), et de donner quelques explications sur ces types de transistors.

Fonctionnement


La principale différence avec un transistor bipolaire se situe au niveau du circuit de commande (grille source) : celui-ci présente une impédance d’entrée quasiment infinie. Ce transistor est donc commandé en tension par VGS contrairement au bipolaire qui l’était en courant par le courant de base. Le principal avantage du transistor MOS est donc de pouvoir maintenir un état donné sans avoir à fournir de puissance (courant d’entrée nul). Ce composant est surtout utilisé en commutation que ce soit pour l’électronique de puissance ou pour la réalisation de circuit numérique. Le transistor MOS à canal N se commande avec une tension grille source positive (VGS >0) qui provoque la circulation d’un courant dans le sens drain source.(ID >0) Le transistor MOS à canal P se commande avec une tension VGS négative et le courant circule de la source vers le drain : ID négatif. Lorsque la tension VGS est nulle le courant de drain l’est aussi.

Câblage MOSFET canal-N / canal-P


MOSFET type BUK455 Canal-N
mosfet-canan-n-1

Prenons comme exemple un transistor MOSFET à Canal-N type BUK455, je pouvais utiliser un autre type de transistor MOSFET à canal N mais j’ai choisi de prendre celui-ci pour le plaisir.
Le transistor MOSFET à canal N doit être dirigé du côté ou le potentiel est le plus bas, c’est-à-dire que la source (l’arrire de la flèche doit être du côté du potentiel le plus bas)
Ce transistor MOSFET fonctionne avec une tension Vgs positive., en effet pour que le transistor devienne passant il faut que la tension Vgs soit positive.
Plus la tension Vgs sera positive et plus le MOSFET sera passant et le courant circulant dans le drain sera de plus en plus fort (interrupteur complétement fermé). Cas inverse , lorsque la tension Vgs sera proche de zéro il deviendra un interrupteur ouvert et le courant circulant dans le drain sera de plus en plus faible lorsque la tension Vgs diminuera.


MOSFET type 2SJ162 Canal-P
mosfet-canan-p


Le transistor MOSFET à canal P doit être dirigé du côté ou le potentiel est le plus haut, c’est-à-dire que la source (la tête de la flèche doit être du côté du potentiel le plus haut)
Ce transistor MOSFET fonctionne avec une tension Vgs négative, en effet pour que le transistor devienne passant il faut que la tension Vgs soit négative.
Plus la tension Vgs sera négative et plus le MOSFET sera passant et le courant circulant dans le drain sera de plus en plus fort (interrupteur complétement fermé). Cas inverse Lorsque la tension Vgs sera proche de zéro il deviendra un interrupteur ouvert et le courant circulant dans le drain sera de plus en plus faible lorsque la tension Vgs augmentera.

Fonctionnement canal N


irf520


Alimentation d’une led

montage-1

Avec très peu de composants il est tout à fait possible d’alimenter une petite led de 2V qui consomme 10mA. Le transistor de type MOSFET est un composant qui ce « pilote » avec une tension de grille Vgs. En effet suite à une tension appliquée àentre la grille (G) et la source (S) permet de rendre passant le transistor MOSFET et un courant circule entre le drain (D) et la source.


Alimentation de 5 leds ?
montage-2

Possible aussi mais respecter quand même le courant max que peut supporter le MOSFET que vous utiliser. Ici le BS107 à un courant dans le drain maxi de 150mA et des pointes de courant de 300mA sur des temps très court inférieur à l’heure ;-).


Variation lumineuse
montage-3

Ce montage comme son nom l’indique permet de faire varier la luminosité de la led en « jouant » sur le potentiomètre RV1.

Fonctionnement canal P


Peut-on alimenter une led qui consomme 10mA sous 2V avec un transistor MOSFET qui accepte un courant de 14A ?
La réponse est oui, « qui peu le plus peu le moins …», prenons un MOSFET type IRF9530N et le datasheet de ce composant électronique
datasheet-1

La ligne des abscisses (ligne horizontale) indique un courant min de 100mA, pour une tension Vgs min de -4,5V. Nous voilà bien embêté puisque le courant absorbé par la led est de 10mA….
Pour de faibles niveaux de la tension VDS, la caractéristique de sortie est linéaire : le transistor se comporte comme une résistance (R DS on).Sachant que le courant est très inférieur à 100mA, il suffit de regarder dans le datasheet, si le constructeur précise une résistance Rds(on), et bien la réponse est oui comme le montre le datasheet ci-dessous.


datasheet-2

Nota : Quelque fois dans les catalogues constructeur (Datasheet), nous pouvons trouver pour des faibles courant Id une courbe qui représente Rds(on) en fonction du courant id.
Pour obtenir la chute de tension de tension Vds, il suffit de faire Vds=Iled*Rds(on)=0,010*0,2=0,002V, Soit 2mV. En effet avec un courant d’une dizaine de mA, la chute de tension est vraiment faible . Il en résulte que pour une tension Vgs de -4,5V et un courant de 10mA, le transistor IRF95030N est 100% passant et sa chute de tension Vds est nul. Avec le montage ci-dessous, nous pouvons alimenter cette petite led qui consomme tous juste 10mA, et une tension Vgs =-4,5V.
mosfet-canal-p

Quand on parle de puissance


Alimentation 50V/12V pour 5A
alimentation-12v-5a

L’alimentation est en 50Vdc, et le récepteur (R4) lui fonctionne sous une tension de 12V pour 5A.


1er exemple :
Alimentation avec une tension Vgs=-6V, ce qui donne une tension Vds=2V pour un courant de 5A.
La puissance dissipée de notre IRF9530N est de P=U*I=2*5=10W. Le datasheet donne comme valeur R(ja)=65°C/W. Pour une puissance de 10W, nous avons ne résistance thermique de :
Rth(ja)=(Tj-Ta)/Pd=(175-25)/10=15°C/W !!!!

Le constructeur donne une valeur de Rth(ja)=65°C/W et nous avons par calcul Rth(ja)= 15°C/W il en résulte que la valeur par calcul est inférieur à la valeur du constructeur, obligation de mettre un radiateur puisque plus la valeur de la résistance thermique est inférieur à la valeur du constructeur et plus la chaleur dans le composants est importante.

La résistance thermique de l’ensemble est : Rth(ja)=15°C/W et Rth(jc)=1,9°C/W,


la résistance thermique du radiateur doit être de: Rth(R)=Rth(ja)-Rth(jc)=15-1,9=13,1°C/W.


Conclusion :
Sans radiateur
Le transistor MOSFET sans radiateur et d’après la doc constructeur, ne peut que dissiper une puissance de :
Pd=(Tj-Ta)/Rth(ja)=(175-25)/65=2,3W.


Avec Radiateur
Puisque nous demandons un courant de 5A et une tension Vds de 2V la puissance que doit dissiper le transistor MOSFET est de 10W, cette puissance est égale à:
Pd=(Tj-Ta)/Rth(ja), nous avons calculé une résistance thermique de Rth=13,1°C/W en faisant Rth=(Tj-Ta)/Pd, un radiateur de résistance thermique inférieure conviendra aussi mais prendra plus de place, à vous de trouver le modèle mécanique qui convient à l’application envisagée.


Pmaxdissipée_souhaitée>Pmaxdissipable soit 10W>2,3W un radiateur est donc obligatoire!!! et grâce au radiateur nous pouvons dissiper une puissance beaucoup plus importante.

Les courbes d’un MOSFET



courbe-mosfet
Lorsque nous consultons le datasheet, nous pouvons trouver des courbes qui expriment Id=f(Vgs), ce qui se traduit par le courant dans le drain en fonction de la tension Vgs. Lorsque nous regardons la courbe ci-dessus, celle-ci à une pente linéaire, puis arrive à un coude, pour arrivé à un seuil de saturation. Ce qu’il faut retenir c’est que lorsque nous nous situons sur la zone linéaire, le transistor MOSFET se comporte comme une résistance linéaire nommé Rds(on). Puis lorsque nous dépassons ce régime linéaire, et que nous passons dans la portion après le coude nous somme en régime saturé et le transistor MOSFET ne « joue » plus le rôle de résistance linéaire.


Exemples
exemple11


Prenons le cas ou nous avons une tension d’alimentation de 10V et que nous désirons alimenter sous une charge R qui absorbe un courant de 5A. Pour cet exemple j’utilise un transistor MOSFET type IRF520 (canal N). Lorsque la tension Vgs=0V, le transistor MOSFET est bloqué (Off) (interrupteur ouvert), pas de courant qui circule du drain à la source, il en résulte que toute la tension d’alimentation se situe à ses bornes Vds=10V. Maintenant lorsque le transistor est saturé Vds=0V cela veut dire que la tension Vgs est plus importante, et un courant circule du drain à la source et ce même courant sera limité par la résistance R.
Utilisons un transistor MOSFET type IRF520, et prenons le cas ou une charge absorbe un courant de 5A sous une tension de 10V. Si le transistor est saturé, R=(Vcc/I)=10/5=2 ohms, et lorsque Vgs=0 Vds=10V, nous pouvons donc représenter comme le montre la figure ci-dessous la fameuse droite de charge en rouge .


courbe-mosfet-2

Zone Ohmique (zone linéaire) détermine Rds(on)
Continuons l’exemple ci-dessus pour comprendre le rôle de la zone Ohmique, et prenons le cas ou nous décidons de faire varier le courant dans la charge. En reprenant l’exemple précédent, pour obtenir un courant de 5A, vous remarqué que la droite de charge ne « coupe » pas la portion linéaire de la courbe de Vgs, il est donc impossible d’obtenir 5A avec ce type de charge, à moins d’augmenter la tension d’alimentation pour avoir une droite de charge beaucoup plus horizontal.


Remarque:
Nous pouvons obtenir un courant de 3A maxi lorsque Vgs=15V, traçons la pente de la tension Vgs (courbe orange ci-dessous) ce qui donne une pente d’environ 0,15 ohms.. tiens! le constructeur donne Rds (on)=0,2 ohms avec l’arrondi cela fait l’affaire !! vous l’avez compris c’est cette pente qui détermine Rds(on) (Rds(on)=d Vds/did)(pour Vgs=15V).


courbe-mosfet-3

Revenons à nos moutons, la droite de charge à été tracé en rouge maintenant il ne reste plus qu’à simuler notre petit montage électronique. Pour obtenir un courant de 3A, d’après le datasheet il faudrait une tension Vgs= 15V pour une chute de tension de Vds=0,45V.


exemple-1a


Que-ce que vous en pensez ? hum !! nous sommes loin du compte d’après les mesures.
courbe-mosfet-4


Bon essayons cette fois-ci d’après la droite de charge (en bleu) et au croisement toujours pour un courant de 2,6A , pour Vgs=5V soit une chute de tension aux bornes de Vds=0,7V.
exemple-1b-1


Alors là c’est encore pire !!!


Je veux mieux comprend le phénomène !!!
Ah !! Vous êtes intéressés et bien moi aussi !!


1er point :
Le document constructeur permet d’avoir un ordre de grandeur sur les mesures de notre composant, je dis bien un ordre de grandeur puisque il serait impossible d’obtenir avec une centaine de composants de même type la même courbe identique aux documents constructeur (datasheet). Tenez prenez pour exemple un achat d’un paquet de pâtes, et disons que notre balance arrive à mesurer au milligramme près. Pensez-vous vraiment que deux paquets de pâtes seront identiques ? Peut-être qu’il en manque une ?! à vrai dire mais je n’ose vraiment pas les compter…
Et bien ceci est pareil pour le document constructeur. le constructeur ne fera pas pour chaque composants un datasheet.


2ème points :
La simulation ? Voyez-vous encore une autre chose à évoquer, c’est la simulation. Bien évidement celle-ci n’est pas aussi précis qu’un datasheet, mais montre visuellement le fonctionnement du composant et comme celui-ci ce comporte. Là encore nous voyons que de Vgs=15V à Vgs=5V le courant baisse sur le datasheet, et nous voyons la même chose par simulation, ce qui est déjà pas mal !!
Datasheet donne 3A – Simulation donne 4,24A
Puis
Datasheet donne 2,6A – Simulation donne 2,25A
Nous avons quand même une différnece et cela nous ne pouvons pas dire le contraire, je pense que cela reste une erreur raisonnable, mais pourquoi pas apporter une explication de ce phénomène ?


Explication :
Dans un 1er temps 2 générateur de tension (Vgs et Vds) et une sonde de courant (Id), et en voici la courbe.


courbe


Je trouve cette courbe très ressemblante vous ne trouvez pas ? Enfin nous pouvons dire que pour ce composant nous avons créé notre propore datasheet, et nous verrons plus loin les différents points de mesures.

  • Vgs=7V Id=3,75A


courbe-2


Reprenons cette courbe et traçons comme précédemment et d’une façon identique la droite de charge en rouge, puis en bleu l’intersection, et on observe une tension Vds=2,59V, un courant id=3,75A, et Vgs=7V. Si on regarde le montage ci-dessous on voit que les résultats sont proche (attention à l’incertitude du tracé)


exemple-courbe-2

  • Vgs=5V Id=2,25A

Regardons maintenant pour une tension Vgs=5V nous obtenons un courant de 2,25A Vds=5,41V. Alors vérifions-le par simulation.
exemple-courbe-3


On peut donc en déduire que la courbe, plus précisément notre propore « datasheet » a une correspondance exacte. Cette façon de faire comme ce que nous avons réalisés précédemment mais en utilisant nos documents nous voyons que les mesures sont 100% justes, ce qui n’était pas le cas avec les documents constructeurs. Encore une fois et j’insiste, ces documents permettent d’avoir un ordre de grandeur sur les mesures si maintenant on fait les même tests sur du réel il faudrait faire le lien entre nos mesures en réel et le datasheet du constructeur. On pourrait d’ailleurs faire la même chose que la simulation, c’est-à-dire de créer aussi notre propre datasheet mais cette fois-ci en réel !!


Conclusion
Sur ces courbes, nous avons pris les deux valeurs extrêmes avec un Vgs différents, et vous pouvez voir que le transistor atteint c’est limite au niveau de la zone linéaire et va passer sur la portion ou il sature, on peu donc dire qu’il va jouer le rôle de générateur de courant constant si la tension d’alimentation augmente.
Pour que le transistor fonctionne en zone ohmique, il faut que la tension Vds soit inférieur à 1V, puis en fonction de la droite de charge nous pouvons déterminer le point e fonctionnement du montage qui nous détermine le courant Id, c’est d’ailleurs ce courant imposé par le transistor MOSFET qui va imposé les potentiels coté source et coté drain.
Si nous souhaitons que le transistor MOSFET joue le rôle de générateur de courant constant, il faut que la tension Vds soit supérieur à 2V.