MOSFET como um switch - quando é na saturação?

Eu tenho o seguinte circuito conectado a uma tábua de pão.

Eu vario a tensão do portão usando um potenciômetro. Aqui está o que me confunde: de acordo com a Wikipedia, o MOSFET está saturado quando V (GS)> V (TH) e V (DS)> V (GS) - V (TH).

Se eu aumentar lentamente a tensão do portão a partir de 0, o MOSFET permanecerá desligado. O LED começa a conduzir uma pequena quantidade de corrente quando a tensão do portão é de cerca de 2,5V. O brilho para de aumentar quando a tensão do portão atinge cerca de 4V. Não há alteração no brilho do LED quando a tensão do portão é maior que 4V. Mesmo se eu aumentar a tensão rapidamente de 4 para 12, o brilho do LED permanecerá inalterado.

Também monitoro a tensão Drain to Source enquanto estou aumentando a tensão do gate. A tensão do dreno para a fonte cai de 12V para perto de 0V quando a tensão do portão é de 4V ou mais. Isso é fácil de entender: como R1 e R (DS) formam um divisor de tensão e R1 é muito maior que R (DS), a maioria da tensão cai em R1. Nas minhas medições, cerca de 10V está sendo descartado no R1 e o restante no LED vermelho (2V).

No entanto, como V (DS) agora é aproximadamente 0, a condição V (DS)> V (GS) - V (TH) não é satisfeita, o MOSFET não está saturado? Se for esse o caso, como projetar um circuito no qual o MOSFET está saturado?

Observe que: R (DS) para IRF840 é 0,8 Ohms. V (TH) está entre 2V e 4V. Vcc é 12V.

Aqui está a linha de carga que tracei do meu circuito.

Agora, o que obtive das respostas aqui é que, para operar o MOSFET como um comutador, o ponto de operação deve estar no lado esquerdo da linha de carga. Estou correto no meu entendimento?

E se alguém impuser as curvas características do MOSFET, no gráfico acima, o ponto de operação estará na chamada região "linear / triodo". De fato, o comutador deve chegar a essa região o mais rápido possível para trabalhar com eficiência. Entendi ou estou completamente errado?

Antes de tudo, "saturação" nos mosfets significa que a mudança no VDS não produzirá uma mudança significativa no ID (corrente de drenagem). Você pode pensar no MOSFET na saturação como uma fonte atual. Independentemente da tensão no VDS (com limites, é claro), a corrente no dispositivo será (quase) constante.

Agora voltando à pergunta:

De acordo com a Wikipedia, o MOSFET está saturado quando V (GS)> V (TH) e V (DS)> V (GS) - V (TH).

Está correto.

Se eu aumentar lentamente a tensão do portão a partir de 0, o MOSFET permanecerá desligado. O LED começa a conduzir uma pequena quantidade de corrente quando a tensão do portão é de cerca de 2,5V.

Você aumentou o Vgs acima do Vth do NMOS, de modo que o canal foi formado e o dispositivo começou a ser conduzido.

O brilho para de aumentar quando a tensão do portão atinge cerca de 4V. Não há alteração no brilho do LED quando a tensão do portão é maior que 4V. Mesmo se eu aumentar a tensão rapidamente de 4 para 12, o brilho do LED permanecerá inalterado.

Você aumentou os Vgs, tornando o dispositivo mais atual. Em Vgs = 4V, o que limita a quantidade de corrente não é mais o transistor, mas o resistor que você possui em série com o transistor.

Também monitoro a tensão Drain to Source enquanto estou aumentando a tensão do gate. A tensão do dreno para a fonte cai de 12V para perto de 0V quando a tensão do portão é de 4V ou mais. Isso é fácil de entender: como R1 e R (DS) formam um divisor de tensão e R1 é muito maior que R (DS), a maioria da tensão cai em R1. Nas minhas medições, cerca de 10V está sendo descartado no R1 e o restante no LED vermelho (2V).

Tudo parece em ordem aqui.

No entanto, como V (DS) agora é aproximadamente 0, a condição V (DS)> V (GS) - V (TH) não é satisfeita, o MOSFET não está saturado?

Não não é. Está na região linear ou triodo. Ele se comporta como resistor nessa região. Isso está aumentando o Vds aumentará o ID.

Se for esse o caso, como projetar um circuito no qual o MOSFET está saturado?

Você já tem. Você só precisa cuidar do ponto de operação (verifique se as condições mencionadas são atendidas).

A) Na região linear, é possível observar o seguinte: -> ao aumentar a tensão de ALIMENTAÇÃO, o LED fica mais brilhante à medida que a corrente no resistor e no transistor aumenta e, portanto, mais flui através do LED.

B) Na região de saturação, algo diferente acontecerá -> ao aumentar a tensão de ALIMENTAÇÃO, o brilho do LED não mudará. A tensão extra que você aplica no FORNECIMENTO não se traduz em corrente maior. Em vez disso, será através do MOSFET, para que a tensão DRAIN suba junto com a tensão de alimentação (portanto, aumentar a oferta em 2V significará aumentar a tensão de drenagem em quase 2V)

Interpreto o significado de 'saturação' no contexto do artigo da Wikipedia da seguinte maneira:

A folha de dados para um MOSFET mostrará um gráfico com curvas mostrando um específico para um em um , geralmente para vários valores diferentes de .$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

Neste exemplo, a linha parabólica vermelha separa o que é chamado de região 'linear' da região de 'saturação'. Na região de saturação, as linhas são planas - a corrente não aumenta mais à medida que aumenta. Na região linear, à medida que a corrente de dreno aumenta, aumenta - o MOSFET age como um resistor.$I_D$$V_{DS}$$V_{DS}$

Na sua situação, supondo que sua peça tenha curvas semelhantes ao exemplo, tecnicamente 'não', o dispositivo não está na região de saturação. Dito isto, seu é tão baixo que a queda é minúscula em comparação com o resistor em série. Não importa para o que atinja, a queda 'linear' do MOSFET é pequena se comparada ao resistor e "parece" saturada.$I_D$$V_{DS}$$V_{GS}$$390 \Omega$

Outras respostas aqui dão uma boa explicação do termo "saturação" aplicado aos MOSFETs.

Vou apenas observar aqui que esse uso é muito diferente do que se entende por transistores bipolares e algumas outras classes de dispositivos.

O termo é usado corretamente para MOSFETs em que

• V (DS)> V (GS) - V (TH)

Mas nunca deveria ter sido.
Mas é, então esteja ciente disso.

Um transistor bipolar (e NÃO um MOSFET) fica "saturado" quando é ligado com força. A condição equivalente em um MOSFET de modo de aprimoramento (o tipo mais comum) é quando é "totalmente aprimorada", mas o termo apropriado para isso já foi roubado.

Adicionado:

Um MOSFET é "ativado" pela voltagem aplicada ao portão em relação à fonte = Vgs.
Os Vgs necessários, onde o FET começa a ligar e conduz uma quantidade definida de corrente, são conhecidos como 'tensão limite do portão' ou apenas 'tensão limite' e geralmente são escritos como Vgsth ou Vth ou similar.
Vth fornece uma indicação de quanta voltagem será necessária para operar o FET como uma chave, mas Vgs reais totalmente aprimoradas são tipicamente várias vezes Vgsth. Além disso, as Vgs necessárias para o aprimoramento completo variam com os IDs desejados.

Este gráfico, copiado da resposta de Madmanguruman, mostra que, em Vgs = 7V, o relacionamento Ids / Vds é linear até Ids = 20A, de modo que o FET é "totalmente aprimorado" e parece um resistor até esse ponto. Para este FET, o Vds é de cerca de 1,5V a cerca de 20A, então Rdson é de cerca de R = V / I = 1,5 / 20 = 75 milliOhms.
Para este FET, há uma curva em Vgs = 1V, portanto VGSth = Vth provavelmente está na faixa de 0,5V-0,8V, digamos 100 uA.

O que você precisa fazer para ver a saturação é fornecer tensão suficiente até que, eventualmente, o aumento da tensão não faça diferença na corrente.
Para fazer isso, defina seu Vgs como um valor estático ativado (> Vth), aumente a tensão entre Vds e meça a corrente. Inicialmente, ele aumentará linearmente, estando na região ôhmica ou linear, mas acabará se achatando e, apesar de aumentar ainda mais, a corrente através do MOSFET permanecerá a mesma.

No que diz respeito à definição de saturação, entendo que saturação / linear nos MOSFETs significa aproximadamente o oposto do que eles fazem em um BJT. Este documento (sob a caracterização MOSFET de algumas páginas) sugere similar, embora contanto que você entenda como eles funcionam e o que você quer dizer com o termo, então você deve ficar bem (pelo menos até discutir os transistores com alguém :-))

http://www.falstad.com/circuit/e-nmosfet.html

Há um bom applet de simulador MOSFET nesta página. Espero que ajude.
Também fiz uma pergunta semelhante há um tempo atrás; você pode se referir a ele também.

B) Na região de saturação, algo diferente acontecerá -> ao aumentar a tensão de ALIMENTAÇÃO, o brilho do LED não mudará. A tensão extra que você aplica no FORNECIMENTO não se traduz em corrente maior. Em vez disso, será através do MOSFET, para que a tensão DRAIN suba junto com a tensão de alimentação (portanto, aumentar a oferta em 2V significará aumentar a tensão de drenagem em quase 2V)

Como assim? O aumento da oferta deve aumentar os V ds apenas em Id X Rds (ativado). Considerando que o LED terá quase a mesma queda de tensão direta, o aumento da tensão deverá ser compartilhado pelo resistor e pelo dispositivo em série. Como o resistor tem um valor muito maior (390 ohms em comparação com 0,8 ohms do dispositivo), a maior parte da queda de tensão deve estar no resistor. Além disso, definitivamente haverá um aumento na corrente de dreno com o aumento da resistência. As perdas de MOSFET são calculadas no estado de stady como a corrente ao quadrado multiplicada por Rds (ativado). Portanto, a observação "DRAIN volage aumentará junto com a tensão de alimentação (portanto, aumentar a alimentação em 2V significará aumentar a tensão de drenagem em quase 2V)" está incorreta