En MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) er en halvlederenhed, der kan bruges som en solid state switch. Disse er nyttige til styring af belastninger, der trækker mere strøm eller kræver højere spænding, end en GPIO-stift kan levere. I slukket tilstand er MOSFET’er ikke ledende, mens de i tændt tilstand har en ekstremt lav modstand – ofte målt i milliohm. MOSFET’er kan kun bruges til at skifte jævnstrømsbelastninger.
MOSFET’er har tre stifter, Source, Drain og Gate. Kilden er forbundet til jord (eller den positive spænding, i en p-kanals MOSFET), drænet er forbundet til belastningen, og gaten er forbundet til en GPIO-stift på Espruino. Spændingen på gaten bestemmer, om der kan løbe strøm fra drænet til belastningen – der løber ingen strøm til eller fra gaten (i modsætning til en bipolar junction-transistor) – det betyder, at hvis gaten får lov til at svæve, kan FET’en tænde eller slukke som reaktion på omgivende elektriske felter eller meget små strømme. Som demonstration kan man tilslutte en MOSFET på normal vis, bortset fra at man ikke tilslutter noget til gate-pinden, og derefter røre ved gaten, mens man holder enten jord eller en positiv spænding – selv gennem kroppens modstand kan man tænde og slukke for FET’en! For at sikre, at en MOSFET forbliver slukket, selv om pin’en ikke er tilsluttet (f.eks. efter at Espruino er nulstillet), kan der placeres en pull-down-modstand mellem gate og source.
MOSFET’er kobler kun strøm, der flyder i én retning; de har en diode mellem source og dræn i den anden retning (med andre ord, hvis drænet (på en N-kanals enhed) falder under spændingen på source, vil der flyde strøm fra source til dræn). Denne diode, “kropsdioden”, er en følge af fremstillingsprocessen. Den må ikke forveksles med den diode, der undertiden er placeret mellem drænet og belastningens strømforsyning – den er separat og skal medregnes, når man driver en induktiv belastning.
Medmindre det er nævnt, forudsætter dette afsnit anvendelse af en N-kanals Enhancement Mode MOSFET.
N-kanal vs. P-kanal
I en N-kanal-MOSFET er kilden forbundet til jord, drænet til belastningen, og FET’en tændes, når der påføres en positiv spænding på gaten. N-kanals MOSFET’er er lettere at arbejde med og er den mest almindeligt anvendte type. De er også lettere at fremstille og kan derfor fås til lavere priser med højere ydeevne end p-kanals MOSFET’er.
I en P-kanals MOSFET er kilden forbundet til en positiv spænding, og FET’en tænder, når spændingen på gaten er et vist beløb lavere end kildespændingen (Vgs < 0). Det betyder, at hvis du vil bruge en P-kanals mosfet til at skifte spændinger højere end 5V, skal du bruge en anden transistor (af en art) til at tænde og slukke den.
Valg af MOSFET’er
Gate-to-Source voltage (Vgs) En af de vigtigste specifikationer er den spænding, der kræves for at tænde FET’en helt. Dette er ikke tærskelspændingen – det er den spænding, ved hvilken den først begynder at tænde. Da Espruino’en kun kan udstede 3,3v, har vi for den enkleste tilslutning brug for en del, der giver en god ydelse med en 3,3v gate-drive. Desværre er der ikke mange MOSFET’er til rådighed i praktiske gennemgående hulpakker, der fungerer med et 3,3v gate-drev. IRF3708PBF er et godt valg i den store TO-220-pakning – dens strømhåndteringskapacitet er tilstrækkelig til næsten ethvert formål, selv ved 3,3v på gaten. For lavere strøm er 5LN01SP-AC fra On Semiconductor en mulighed; den kommer i en TO-92-pakke og kan håndtere op til 100 mA.
I databladet for en MOSFET vil der typisk være en graf, der viser on-state-egenskaber ved forskellige gatespændinger. Den vigtigste specifikation her vil typisk være angivet som en graf over drænstrømmen (Id) i forhold til dræn-kilde-spændingen (Vds – dette er spændingsfaldet over MOSFET’en) med flere linjer for forskellige gatespændinger. For eksemplet med IRF3708PBF er denne graf figur 1. Bemærk, hvordan spændingsfaldet (Vds) ved en Id på 10 ampere næppe er over 0,1v med en 3,3v gate-drev, og man kan knap nok skelne linjerne for 3,3v og højere spændinger fra hinanden.
Der findes et meget stort udvalg af lavspændings-MOSFET’er i overflademonterede pakker med fremragende specifikationer, ofte til meget lave priser. Den populære SOT-23-pakke kan loddes på Espruinos SMD-prototypeområde som vist på billederne nedenfor eller bruges med et af de mange billige breakout boards, der fås på eBay og hos mange elektronikhobbyforhandlere.
Continuous Current Sørg for, at den kontinuerlige strømafgivelse for delen er tilstrækkelig til belastningen – mange dele har både en spidsstrøms- og en kontinuerlig strømafgivelse, og naturligvis er førstnævnte ofte overskriftsspecifikationen.
Drain-Source Voltage (Vds) Dette er den maksimale spænding, som MOSFET’en kan skifte.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Dette er den maksimale spænding, der kan påføres på gaten. Dette er især relevant i tilfælde af en p-kanals MOSFET, der kan skifte en ret høj spænding, når man trækker spændingen ned med en anden transistor eller FET for at tænde den.
Pinouts
Dette viser pinoutet for typiske TO-220 og SOT-23 MOSFET’er. Du skal dog ALTID konsultere databladet, før du tilslutter noget, hvis du skulle finde dig selv i at bruge en mærkelig del.
Sammenkobling
N-kanal:
En Espruino, der bruges til at skifte en 100 W belastning ved hjælp af en IRF3708. Bemærk modstanden på 10k mellem gate og source. Belastningen er et 100W 660nm LED-array, der trækker ~3,8A (ifølge specifikationerne) ved 22v (mere som 85W) – det er uden for billedet (det er ret lyst).
Dette viser to N-kanals MOSFET’er på det overflademonterede prototypeområde på en Espruino, den ene i SOT-23 (til højre) og den anden i SOIC-8 (til venstre). Bemærk, at sporene mellem SMD-pads og pins på Espruino’en er ret tynde, så dette bør ikke bruges til strømme meget over en ampere.
P-kanal:
Dette viser en N-kanals MOSFET, der bruges til at tænde en P-kanals MOSFET – denne konfiguration er nyttig, når du skal skifte den høje side af et kredsløb, der er forsynet med strøm fra noget over 5 volt – dette eksempel antager, at Espruinos VBat er strømkilden.
Skemaer
Disse skemaer viser et par almindelige konfigurationer for MOSFET’er, som de ville blive brugt med Espruino. De nøjagtige værdier af modstande er ikke afgørende; en modstand med højere værdi vil fungere fint (og kan være ønskelig, hvor strømforbruget er af særlig betydning). Som det kan ses nedenfor, indebærer brugen af en P-kanal MOSFET til at skifte spændinger over 5v et mere kompliceret kredsløb. Dette er ikke tilfældet, når man bruger en N-kanals MOSFET til at skifte høje spændinger; da kilden er jordet, behøver gaten ikke at gå op til den spænding, der skal skiftes, som den gør på en P-kanals MOSFET, hvor kilden er den positive spænding.
MOSFET’er vs. relæer
- MOSFET’er forbruger stort set ingen strøm, mens relæer bruger en betydelig mængde strøm, når de er tændt.
- MOSFET’er kan styres med PWM. Det kan relæer ikke.
- MOSFET’er kræver en fælles jord (eller forsyning for p-kanal), mens relæer isolerer det kredsløb, der drives, fuldstændigt.
- MOSFET’er kan kun skifte jævnstrømsbelastninger, mens relæer, der er isolerede, også kan skifte vekselstrøm.
MOSFET’er vs. bipolære junktionstransistorer
- MOSFET’er styres af spænding, ikke af strøm. Der er en ubetydelig gate-strøm, hvorimod en BJT har en ikke ubetydelig basisstrøm.
- MOSFET’er har ofte et lavere spændingsfald i tændt tilstand.
- MOSFET’er tænder af sig selv, hvis gaten får lov til at svæve, BJT’er kræver strøm til at flyde, så det gør de ikke.
- MOSFET’er er ofte dyrere og var historisk set mere sårbare over for statiske skader.
Enhancement vs. Depletion mode
De fleste MOSFET’er, der anvendes, er såkaldte enhancement mode-enheder, og i ovenstående skrivning er det antaget, at der anvendes en enhancement mode MOSFET. Igen, i en MOSFET i forbedringstilstand, når gaten er på samme spænding som kilden (Vgs=0), leder MOSFET’en ikke.
I en MOSFET i depletionstilstand er MOSFET’en tændt, når Vgs = 0, og der skal påføres en spænding på gaten for at stoppe ledningen. Den tilførte spænding er det modsatte af, hvad der ville tænde en Enhancement Mode MOSFET – så for en N-kanals Enhancement Mode MOSFET skal der påføres en negativ spænding for at slukke den.
Køb
- Digikey
- Mouser
- eBay (kun almindelige dele)