MOSFET como interruptor - ¿Cuándo está en saturación?

En primer lugar, la "saturación" en mosfets significa que el cambio en VDS no producirá un cambio significativo en la Id (corriente de drenaje). Puede pensar en MOSFET en saturación como una fuente actual. Eso es independientemente de la tensión en VDS (con límites, por supuesto) la corriente a través del dispositivo será (casi) constante.

Ahora volviendo a la pregunta:

Según wikipedia, el MOSFET está en saturación cuando V (GS) > V (TH) y V (DS) > V (GS) - V (TH).

Eso es correcto.

Si aumente lentamente la tensión de la puerta a partir de 0, el MOSFET permanecerá apagado. El LED comienza a conducir una pequeña cantidad de corriente cuando el voltaje de la compuerta es de aproximadamente 2.5 V o menos.

Incrementaste el Vgs por encima del Vth del NMOS para que el canal se formara y el dispositivo comenzara a conducir.

El brillo deja de aumentar cuando el voltaje de la compuerta alcanza aproximadamente 4V. No hay cambio en el brillo del LED cuando el voltaje de la compuerta es mayor que 4V. Aunque aumente el voltaje rápidamente de 4 a 12, el brillo del LED permanece sin cambios.

Incrementaste el Vgs haciendo que el dispositivo conduzca más corriente. En Vgs = 4V, la cosa que limita la cantidad de corriente ya no es el transistor sino la resistencia que tiene en serie con el transistor.

También controlo el voltaje de drenaje a la fuente mientras estoy aumentando el voltaje de la compuerta. El voltaje de drenaje a la fuente cae de 12V a cerca de 0V cuando el voltaje de la compuerta es de 4V o menos. Esto es fácil de entender: dado que R1 y R (DS) forman un divisor de voltaje y R1 es mucho más grande que R (DS), la mayor parte del voltaje cae en R1. En mis mediciones, se están cayendo alrededor de 10V en R1 y el resto en el LED rojo (2V).

Todo se ve en orden aquí.

Sin embargo, como V (DS) ahora es aproximadamente 0, la condición V (DS) > V (GS) - V (TH) no está satisfecho, ¿el MOSFET no está saturado?

No, no lo es. Está en la región lineal o triodo. Se comporta como resistencia en esa región. Eso está aumentando Vds aumentará Id.

Si este es el caso, ¿cómo se podría diseñar un circuito en el que el MOSFET esté saturado?

Ya lo tienes. Solo necesita tener cuidado con el punto de operación (asegúrese de que se cumplan las condiciones que mencionó).

A) En la región lineal puede observar lo siguiente: - > al aumentar el voltaje de SUMINISTRO, el LED se volverá más brillante a medida que la corriente a través de la resistencia y el transistor aumentará y, por lo tanto, fluirá más a través del LED.

B) En la región de saturación ocurrirá algo diferente - > al aumentar el voltaje de SUMINISTRO, el brillo del LED no cambiará. El voltaje adicional que aplique en el SUMINISTRO no se traducirá en una corriente mayor. En cambio, será a través de MOSFET, por lo que la descarga de DRENAJE aumentará junto con la tensión de alimentación (por lo tanto, aumentar la alimentación en 2V significará aumentar la combustión de drenaje en casi 2V)

Interpreto el significado de 'saturación' en el contexto del artículo de Wikipedia de la siguiente manera:

La hoja de datos para un MOSFET mostrará un gráfico con curvas que muestran un \ $ I_D \ $ particular para un \ $ V_ {DS} \ $ en un \ $ V_ {GS} \ $, generalmente para un número de diferentes \ $ V_ {GS} \ $ valores.

Enesteejemplo,lalíneaparabólicarojaseparaloqueseconocecomolaregión"lineal" de la región de "saturación". En la región de saturación, las líneas \ $ I_D \ $ son planas: la corriente no aumenta más a medida que aumenta \ $ V_ {DS} \ $. En la región lineal, a medida que aumenta la corriente de drenaje, \ $ V_ {DS} \ $ aumenta: el MOSFET actúa como una resistencia.

En su situación, asumiendo que su parte tiene curvas similares al ejemplo, técnicamente 'no', el dispositivo no está en la región de saturación. Dicho esto, su \ $ I_D \ $ es tan bajo que la caída de \ $ V_ {DS} \ $ es minúscula en comparación con la resistencia de la serie. No importa a qué suba \ $ V_ {GS} \ $, la caída 'lineal' del MOSFET es pequeña en comparación con la resistencia \ $ 390 \ Omega \ $, y "parece" saturada.

Otras respuestas aquí ofrecen una buena explicación del término "saturación" aplicado a los MOSFET.

Simplemente señalaré aquí que este uso es muy diferente de lo que está destinado a los transistores bipolares y algunas otras clases de dispositivos.

El término se usa correctamente para MOSFETs donde

• V (DS) > V (GS) - V (TH)

PERO nunca debería haber sido.
 Pero lo es, así que ten cuidado.

Un transistor bipolar (y NO un MOSFET) está "en saturación" cuando se enciende con fuerza. La condición equivalente en un modo de mejora MOSFET (el tipo más común) es cuando está "totalmente mejorado" PERO el término apropiado para esto ya ha sido robado.

Añadido:

Un MOSFET se "enciende" por el voltaje aplicado a la puerta en relación con la fuente = Vgs.
El Vgs requerido donde el FET comienza a encenderse y conduce una cantidad definida de corriente se conoce como 'voltaje de umbral de compuerta' o simplemente 'voltaje de umbral' y generalmente se escribe como Vgsth o Vth o similar. Vth da una indicación de la cantidad de voltaje que se necesitará para operar el FET como un conmutador, PERO el Vgs real totalmente mejorado suele ser varias veces Vgsth. Además, los Vgs requeridos para la mejora completa varían con los identificadores deseados.

Este gráfico, copiado de la respuesta de Madmanguruman, muestra que en Vgs = 7V la relación Ids / Vds es aproximadamente lineal hasta aproximadamente Ids = 20A, por lo que el FET está "totalmente mejorado" y parece una resistencia hasta este punto. Para este FET, los Vds son aproximadamente 1.5V a aproximadamente 20A, por lo que Rdson es aproximadamente R = V / I = 1.5 / 20 = 75 miliOhms. Para este FET hay una curva en Vgs = 1V, por lo que VGSth = Vth está probablemente en el rango de 0.5V-0.8V a 100 uA.

Lo que debe hacer para ver la saturación, es suministrar suficiente voltaje hasta que, finalmente, el aumento en el voltaje no haga una diferencia en la corriente.
Para hacer esto, establezca su Vgs en un valor estático en (> Vth), luego aumente el voltaje a través de Vds y mida la corriente. Inicialmente, aumentará de forma bastante lineal, al estar en la región óhmica o lineal, pero eventualmente se aplanará y, a pesar de que la corriente aumenta a través del MOSFET, seguirá igual.

En lo que respecta a la definición de saturación, entiendo que la saturación / lineal en MOSFET significa aproximadamente lo opuesto a lo que hacen en un BJT. Este document (bajo la caracterización MOSFET en unas pocas páginas) sugiere algo similar, aunque siempre que entienda cómo funcionan y qué significa usted el término, entonces debería estar bien (al menos hasta que esté discutiendo los transistores con alguien :-))

enlace

Hay un buen applet de simulador MOSFET en esta página. Espero que ayude.
También pregunté una pregunta similar hace un tiempo; También puedes referirte a él.

B) En la región de saturación ocurrirá algo diferente - > al aumentar el voltaje de SUMINISTRO, el brillo del LED no cambiará. El voltaje adicional que aplique en el SUMINISTRO no se traducirá en una corriente mayor. En cambio, será a través de MOSFET, por lo que la descarga de DRENAJE aumentará junto con la tensión de alimentación (por lo tanto, aumentar la alimentación en 2V significará aumentar la combustión de drenaje en casi 2V)

¿Cómo? Aumentar el suministro debería aumentar los V d-s solo con Id X Rds (activado). Teniendo en cuenta que el LED tendrá casi la misma caída de voltaje directo, entonces el aumento de voltaje tendrá que ser compartido por la resistencia y el dispositivo en serie. Dado que la resistencia tiene un valor mucho mayor (390 ohmios en comparación con 0,8 ohmios del dispositivo), la mayor parte de la caída de voltaje tiene que ser a través de la resistencia. Además, definitivamente habrá un aumento de la corriente de drenaje con el aumento de la resistencia. Las pérdidas de MOSFET se calculan en estado estacionario como el cuadrado actual multiplicado por Rds (activado). Por lo tanto, la observación "la descarga de DRENAJE aumentará junto con el voltaje de suministro (por lo tanto, aumentar la alimentación en 2V significará aumentar la ventilación de drenaje en casi 2V)" no es correcta