MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) je polovodičové zařízení, které lze použít jako polovodičový spínač. Jsou užitečné pro ovládání zátěží, které odebírají větší proud nebo vyžadují vyšší napětí, než může dodat pin GPIO. Ve vypnutém stavu jsou tranzistory MOSFET nevodivé, zatímco v zapnutém stavu mají extrémně nízký odpor – často měřený v miliohmech. MOSFETy lze použít pouze ke spínání stejnosměrných zátěží.
MOSFETy mají tři vývody: Source, Drain a Gate. Source je připojen k zemi (nebo ke kladnému napětí, v případě p-kanálového MOSFETu), drain je připojen k zátěži a gate je připojen ke GPIO pinu na Espruinu. Napětí na hradle určuje, zda může protékat proud z drain do zátěže – do hradla ani z něj neprotéká žádný proud (na rozdíl od tranzistoru s bipolárním přechodem) – to znamená, že pokud je hradlo ponecháno v plovoucím stavu, může se FET zapnout nebo vypnout v reakci na okolní elektrické pole nebo velmi malé proudy. Jako ukázku lze zapojit MOSFET normálně, kromě toho, že na vývod hradla nic nepřipojíte, a pak se dotknout hradla a zároveň držet buď zem, nebo kladné napětí – dokonce i přes odpor vašeho těla můžete FET zapnout a vypnout! Aby bylo zajištěno, že MOSFET zůstane vypnutý i v případě, že vývod není připojen (např. po resetu Espruina), lze mezi hradlo a zdroj umístit pull-down rezistor.
MOSFETy spínají pouze proud tekoucí jedním směrem; v druhém směru mají mezi zdrojem a drainem diodu (jinými slovy, pokud drain (u N-kanálového zařízení) klesne pod napětí na zdroji, proud poteče ze zdroje do drainu). Tato dioda, „tělesová dioda“, je důsledkem výrobního procesu. Nesmí se zaměňovat s diodou, která se někdy umisťuje mezi drain a napájení zátěže – ta je samostatná a měla by být zahrnuta při řízení indukční zátěže.
S výjimkou případů, kdy je to uvedeno, se v této části předpokládá použití N-kanálového zesilovacího tranzistoru MOSFET.
N-kanálový vs. P-kanálový
U N-kanálového MOSFETu je zdroj připojen k zemi, odvod k zátěži a FET se zapne, když je na hradlo přivedeno kladné napětí. S N-kanálovými MOSFETy se lépe pracuje a jsou nejčastěji používaným typem. Jsou také jednodušší na výrobu, a proto jsou k dispozici za nižší ceny s vyšším výkonem než p-kanálové MOSFETy.
U P-kanálového MOSFETu je zdroj připojen ke kladnému napětí a FET se zapne, když je napětí na hradle o určitou hodnotu nižší než napětí na zdroji (Vgs < 0). To znamená, že pokud chcete použít P-kanálový mosfet ke spínání napětí vyšších než 5 V, budete potřebovat další tranzistor (nějakého druhu) k jeho zapnutí a vypnutí.
Výběr MOSFETů
Gate-to-Source voltage (Vgs) Jednou z nejdůležitějších specifikací je napětí potřebné k úplnému zapnutí FETu. Nejedná se o prahové napětí – to je napětí, při kterém se začne poprvé zapínat. Vzhledem k tomu, že Espruino dokáže vyvést pouze 3,3 V, potřebujeme pro nejjednodušší zapojení součástku, která poskytuje dobrý výkon s 3,3V hradlem. Bohužel není k dispozici mnoho tranzistorů MOSFET v pohodlných průchozích pouzdrech, které by fungovaly s 3,3V pohonem hradla. IRF3708PBF je dobrou volbou ve velkém pouzdře TO-220 – jeho proudová zatížitelnost je dostatečná pro téměř jakýkoli účel, a to i při 3,3 V na hradle. Pro nižší proudy se nabízí 5LN01SP-AC od společnosti On Semiconductor; je v pouzdře TO-92 a zvládne až 100 mA.
V datovém listu MOSFETu je obvykle uveden graf zobrazující vlastnosti v zapnutém stavu při různých napětích na hradle. Klíčová specifikace zde bude obvykle uvedena jako graf závislosti proudu odtoku (Id) na napětí odtoku a zdroje (Vds – jedná se o úbytek napětí na MOSFETu) s několika čarami pro různá napětí na hradle. Pro příklad IRF3708PBF je tento graf na obrázku 1. Všimněte si, že při Id 10 A je úbytek napětí (Vds) sotva vyšší než 0,1 V při napětí na hradle 3,3 V a lze jen stěží rozlišit čáry pro napětí 3,3 V a vyšší.
Existuje velmi široká škála nízkonapěťových tranzistorů MOSFET v pouzdrech pro povrchovou montáž s vynikajícími parametry, často za velmi nízké ceny. Oblíbené pouzdro SOT-23 lze připájet na prototypovací plochu SMD Espruino, jak je znázorněno na obrázcích níže, nebo jej použít s jednou z mnoha levných rozbočovacích desek, které jsou k dispozici na eBay a u mnoha prodejců hobby elektroniky.
Continuous Current Ujistěte se, že jmenovitý trvalý proud součástky je dostatečný pro zátěž – mnoho součástek má jak špičkový, tak trvalý jmenovitý proud, a přirozeně první z nich je často specifikací na titulce.
Drain-Source Voltage (Vds) Jedná se o maximální napětí, které může MOSFET spínat.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Jedná se o maximální napětí, které může být přivedeno na hradlo. To má význam zejména v případě p-kanálového tranzistoru MOSFET spínajícího poměrně vysoké napětí, kdy napětí stáhnete dolů dalším tranzistorem nebo FETem, abyste jej zapnuli.
Vývody
Tady jsou uvedeny vývody typických tranzistorů TO-220 a SOT-23 MOSFET. VŽDY se však před zapojením čehokoli podívejte do datasheetu, pokud byste zjistili, že používáte součástku s podivnými vlastnostmi.
Zapojení
N-kanál:
Espruino se používá ke spínání 100W zátěže pomocí IRF3708. Všimněte si odporu 10k mezi hradlem a zdrojem. Zátěž je 100W 660nm LED pole, které tahá ~3,8A (podle specifikací) při 22V (spíše 85W) – je mimo obrázek (je poměrně jasné).
Na obrázku jsou dva N-kanálové MOSFETy na prototypovací ploše pro povrchovou montáž na Espruinu, jeden v SOT-23 (vpravo) a druhý v SOIC-8 (vlevo). Všimněte si, že stopy mezi SMD podložkami a vývody na Espruinu jsou poměrně tenké, takže by se neměly používat pro proudy výrazně vyšší než ampér.
P-kanál:
Tento příklad ukazuje použití N-kanálového MOSFETu k sepnutí P-kanálového MOSFETu – tato konfigurace je užitečná, když potřebujete spínat horní stranu obvodu napájeného něčím nad 5 V – tento příklad předpokládá, že zdrojem napájení je VBat Espruina.
Schémata
Tato schémata ukazují několik běžných konfigurací pro tranzistory MOSFET, jak by se daly použít s obvodem Espruino. Přesné hodnoty rezistorů nejsou podstatné; vyšší hodnota rezistoru bude fungovat dobře (a může být žádoucí tam, kde jde zejména o spotřebu energie). Jak je vidět níže, použití P-kanálového MOSFETu pro spínání napětí nad 5 V vyžaduje složitější zapojení. Jinak je tomu při použití N-kanálového MOSFETu ke spínání vysokých napětí; protože je zdroj uzemněn, nemusí hradlo stoupat až ke spínanému napětí, jako je tomu u P-kanálového MOSFETu, kde je zdrojem kladné napětí.
MOSFETy vs. relé
- MOSFETy nespotřebovávají v podstatě žádnou energii, zatímco relé spotřebovávají při zapnutí značné množství energie.
- MOSFETy lze řídit pomocí PWM. Relé to nedokážou.
- MOSFETy vyžadují společnou zem (nebo napájení pro p-kanál), zatímco relé zcela izolují řízený obvod.
- MOSFETy mohou spínat pouze stejnosměrné zátěže, zatímco relé, protože jsou izolovaná, mohou spínat i střídavé.
MOSFETy vs. bipolární přechodové tranzistory
- MOSFETy jsou řízeny napětím, nikoli proudem. Je zde zanedbatelný proud hradlem, zatímco BJT má nezanedbatelný proud bází.
- MOSFETy mají často nižší úbytek napětí v zapnutém stavu.
- MOSFETy se samy zapnou, pokud se nechá hradlo plavat, BJT vyžadují průtok proudu, takže se nezapnou.
- MOSFETy jsou často dražší a v minulosti byly náchylnější ke statickému poškození.
Zvýšený vs. vyčerpávající režim
Většina používaných MOSFETů jsou zařízení s tzv. zvýšeným režimem a výše uvedený zápis předpokládal použití MOSFETu se zvýšeným režimem. Opět platí, že pokud je u MOSFETu v režimu zesílení na hradle stejné napětí jako na zdroji (Vgs=0), MOSFET nevede.
V režimu vyčerpání MOSFET, když je Vgs = 0, je MOSFET zapnutý a na hradlo musí být přivedeno napětí, aby se vedení zastavilo. Přivedené napětí je opačné než napětí, které by zapnulo MOSFET v režimu zesílení – takže u N-kanálového MOSFETu v režimu zesílení musí být přivedeno záporné napětí, aby se vypnul.
Nákup
- Digikey
- Mouser
- eBay (pouze běžné díly)