Ein MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) ist ein Halbleiterbauelement, das als Festkörperschalter verwendet werden kann. Sie sind nützlich für die Steuerung von Lasten, die mehr Strom ziehen oder eine höhere Spannung benötigen, als ein GPIO-Pin liefern kann. Im ausgeschalteten Zustand sind MOSFETs nicht leitend, während sie im eingeschalteten Zustand einen extrem niedrigen Widerstand aufweisen, der oft in Milliohm gemessen wird. MOSFETs können nur zum Schalten von Gleichstromlasten verwendet werden.
MOSFETs haben drei Anschlüsse: Source, Drain und Gate. Die Source ist mit Masse verbunden (oder der positiven Spannung bei einem p-Kanal-MOSFET), die Drain ist mit der Last verbunden, und das Gate ist mit einem GPIO-Pin des Espruino verbunden. Die Spannung am Gate bestimmt, ob Strom vom Drain zur Last fließen kann – es fließt kein Strom zum oder vom Gate (im Gegensatz zu einem Bipolartransistor) – das bedeutet, dass der FET als Reaktion auf elektrische Umgebungsfelder oder sehr kleine Ströme ein- oder ausgeschaltet werden kann, wenn man das Gate schweben lässt. Zur Demonstration kann man einen MOSFET ganz normal verdrahten, nur dass man nichts an den Gate-Pin anschließt, und dann das Gate berühren, während man entweder Masse oder eine positive Spannung hält – selbst durch den Widerstand des eigenen Körpers kann man den FET ein- und ausschalten! Um sicherzustellen, dass ein MOSFET auch dann ausgeschaltet bleibt, wenn der Pin nicht angeschlossen ist (z. B. nachdem der Espruino zurückgesetzt wurde), kann ein Pull-Down-Widerstand zwischen Gate und Source geschaltet werden.
MOSFETs schalten nur den Strom, der in eine Richtung fließt; in der anderen Richtung haben sie eine Diode zwischen Source und Drain (mit anderen Worten: wenn der Drain (bei einem N-Kanal-Bauelement) unter die Spannung an der Source fällt, fließt Strom von der Source zum Drain). Diese Diode, die „Body-Diode“, ist eine Folge des Herstellungsprozesses. Sie ist nicht zu verwechseln mit der Diode, die manchmal zwischen dem Drain und der Stromversorgung für die Last geschaltet wird – diese ist separat und sollte beim Betrieb einer induktiven Last mit einbezogen werden.
Wenn nicht anders angegeben, wird in diesem Abschnitt von der Verwendung eines n-Kanal-MOSFETs im Anreicherungsmodus ausgegangen.
N-Kanal vs. P-Kanal
Bei einem N-Kanal-MOSFET ist die Source mit Masse verbunden, der Drain mit der Last, und der FET schaltet sich ein, wenn eine positive Spannung an das Gate angelegt wird. N-Kanal-MOSFETs sind einfacher zu handhaben und werden daher am häufigsten verwendet. Sie lassen sich auch leichter herstellen und sind daher zu niedrigeren Preisen und mit höherer Leistung als p-Kanal-MOSFETs erhältlich.
Bei einem p-Kanal-MOSFET ist die Source mit einer positiven Spannung verbunden, und der FET schaltet sich ein, wenn die Spannung am Gate um einen bestimmten Betrag unter der Source-Spannung liegt (Vgs < 0). Das bedeutet, dass man, wenn man einen P-Kanal-MOSFET zum Schalten von Spannungen über 5 V verwenden will, einen weiteren Transistor (irgendeiner Art) benötigt, um ihn ein- und auszuschalten.
Auswahl der MOSFETs
Gate-to-Source voltage (Vgs) Eine der wichtigsten Angaben ist die Spannung, die erforderlich ist, um den FET vollständig einzuschalten. Dabei handelt es sich nicht um die Schwellenspannung, sondern um die Spannung, bei der sich der FET zum ersten Mal einschaltet. Da der Espruino nur 3,3 V ausgeben kann, brauchen wir für den einfachsten Anschluss ein Bauteil, das eine gute Leistung mit einer 3,3-V-Gate-Ansteuerung bietet. Leider gibt es nicht viele MOSFETs in praktischen Through-Hole-Gehäusen, die mit einer 3,3-V-Gate-Ansteuerung funktionieren. Der IRF3708PBF ist eine gute Wahl im großen TO-220-Gehäuse – seine Strombelastbarkeit ist für fast jeden Zweck ausreichend, selbst bei 3,3 V am Gate. Für niedrigere Ströme ist der 5LN01SP-AC von On Semiconductor eine Option; er wird in einem TO-92-Gehäuse geliefert und kann bis zu 100mA verarbeiten.
Im Datenblatt eines MOSFETs ist in der Regel ein Diagramm enthalten, das die Eigenschaften im Ein-Zustand bei verschiedenen Gate-Spannungen zeigt. Die Hauptspezifikation wird in der Regel als Diagramm des Drain-Stroms (Id) gegenüber der Drain-Source-Spannung (Vds – das ist der Spannungsabfall über dem MOSFET) angegeben, mit mehreren Linien für verschiedene Gate-Spannungen. Für das Beispiel des IRF3708PBF ist dieses Diagramm in Abbildung 1 dargestellt. Beachten Sie, dass bei einem Id von 10 A der Spannungsabfall (Vds) bei einer Gate-Spannung von 3,3 V kaum über 0,1 V liegt, und dass man die Linien für 3,3 V und höhere Spannungen kaum unterscheiden kann.
Es gibt eine sehr große Auswahl an Niederspannungs-MOSFETs in oberflächenmontierbaren Gehäusen mit ausgezeichneten Spezifikationen, oft zu sehr niedrigen Preisen. Das beliebte SOT-23-Gehäuse kann auf die SMD-Prototyping-Fläche des Espruino gelötet werden, wie in den Bildern unten gezeigt, oder mit einer der vielen preiswerten Breakout-Platinen verwendet werden, die bei eBay und vielen Elektronik-Hobby-Anbietern erhältlich sind.
Continuous Current Stellen Sie sicher, dass der Dauerstrom des Bauteils für die Last ausreicht – viele Bauteile haben sowohl einen Spitzenstrom- als auch einen Dauerstromwert, und natürlich ist der erstere oft die Hauptangabe.
Drain-Source Voltage (Vds) Dies ist die maximale Spannung, die der MOSFET schalten kann.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Dies ist die maximale Spannung, die an das Gate angelegt werden kann. Dies ist besonders wichtig im Falle eines p-Kanal-MOSFETs, der eine ziemlich hohe Spannung schaltet, wenn Sie die Spannung mit einem anderen Transistor oder FET nach unten ziehen, um ihn einzuschalten.
Pinouts
Diese zeigen die Pinbelegung von typischen TO-220 und SOT-23 MOSFETs. Man sollte jedoch IMMER das Datenblatt konsultieren, bevor man etwas anschließt, falls man ein seltsames Teil verwendet.
Anschluss
N-Kanal:
Ein Espruino, der zum Schalten einer 100W-Last mit einem IRF3708 verwendet wird. Man beachte den 10k-Widerstand zwischen Gate und Source. Die Last ist ein 100W 660nm LED-Array, das ~3.8A (laut Spezifikation) bei 22v zieht (eher 85W) – es ist außerhalb des Bildes (es ist ziemlich hell).
Dieses Bild zeigt zwei n-Kanal-MOSFETs auf dem oberflächenmontierten Prototyping-Bereich auf einem Espruino, einen in SOT-23 (rechts) und den anderen in SOIC-8 (links). Beachten Sie, dass die Leiterbahnen zwischen den SMD-Pads und den Pins auf dem Espruino ziemlich dünn sind, so dass dies nicht für Ströme von mehr als einem Ampere verwendet werden sollte.
P-Kanal:
Dies zeigt einen N-Kanal-MOSFET, der zum Einschalten eines P-Kanal-MOSFET verwendet wird – diese Konfiguration ist nützlich, wenn man die hohe Seite einer Schaltung schalten muss, die von etwas über 5 Volt gespeist wird – dieses Beispiel geht davon aus, dass die VBat des Espruino die Stromquelle ist.
Schaltpläne
Diese Schaltpläne zeigen ein paar gängige Konfigurationen für MOSFETs, wie sie im Espruino verwendet werden können. Die exakten Werte der Widerstände sind nicht wesentlich; ein höherer Widerstandswert funktioniert gut (und kann wünschenswert sein, wenn der Stromverbrauch von besonderer Bedeutung ist). Wie unten zu sehen ist, erfordert die Verwendung eines P-Kanal-MOSFET zum Schalten von Spannungen über 5 V eine kompliziertere Schaltung. Dies ist nicht der Fall, wenn ein N-Kanal-MOSFET zum Schalten hoher Spannungen verwendet wird; da die Source geerdet ist, muss das Gate nicht auf die zu schaltende Spannung steigen, wie es bei einem P-Kanal-MOSFET der Fall ist, bei dem die Source die positive Spannung ist.
MOSFETs vs. Relais
- MOSFETs verbrauchen im Wesentlichen keinen Strom, während Relais eine beträchtliche Menge an Strom verbrauchen, wenn sie eingeschaltet sind.
- MOSFETs können mit PWM gesteuert werden. Relais können das nicht.
- MOSFETs benötigen eine gemeinsame Masse (oder Versorgung für den p-Kanal), während Relais den angesteuerten Schaltkreis vollständig isolieren.
- MOSFETs können nur Gleichstromlasten schalten, während Relais, da sie isoliert sind, auch Wechselstrom schalten können.
MOSFETs vs. Bipolar Junction Transistors
- MOSFETs werden durch Spannung und nicht durch Strom gesteuert. Es gibt einen vernachlässigbaren Gatestrom, während ein BJT einen nicht vernachlässigbaren Basisstrom hat.
- MOSFETs haben im eingeschalteten Zustand oft einen geringeren Spannungsabfall.
- MOSFETs schalten sich selbst ein, wenn das Gate schweben darf, BJTs benötigen Strom, um zu fließen, also werden sie nicht eingeschaltet.
- MOSFETs sind oft teurer und waren in der Vergangenheit anfälliger für statische Schäden.
Anreicherungsmodus vs. Verarmungsmodus
Die Mehrzahl der verwendeten MOSFETs sind so genannte Anreicherungsmodus-Bauteile, und in der obigen Beschreibung wurde von einem Anreicherungsmodus-MOSFET ausgegangen. Auch bei einem Enhancement-MOSFET ist der MOSFET nicht leitend, wenn das Gate die gleiche Spannung wie die Source hat (Vgs=0).
Bei einem MOSFET im Verarmungsmodus ist der MOSFET eingeschaltet, wenn Vgs = 0 ist, und es muss eine Spannung an das Gate angelegt werden, um die Leitung zu unterbrechen. Die zugeführte Spannung ist das Gegenteil von dem, was einen Anreicherungs-MOSFET einschalten würde – bei einem N-Kanal-Anreicherungs-MOSFET muss also eine negative Spannung angelegt werden, um ihn auszuschalten.
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