MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, metallioksidi-puolijohdekenttätransistori) on puolijohdekomponentti, jota voidaan käyttää kiinteän tilan kytkimenä. Ne ovat käyttökelpoisia sellaisten kuormien ohjaamiseen, jotka ottavat enemmän virtaa tai vaativat suurempaa jännitettä kuin GPIO-pinni voi tarjota. Pois päältä -tilassaan MOSFETit eivät ole johtavia, kun taas päällä -tilassaan niillä on erittäin alhainen vastus – usein milliohmeina mitattuna. MOSFETeja voidaan käyttää vain tasavirtakuormien kytkemiseen.
MOSFETeissä on kolme nastaa, Source, Drain ja Gate. Lähde on kytketty maahan (tai positiiviseen jännitteeseen p-kanavaisessa MOSFETissä), tyhjennys on kytketty kuormaan ja portti on kytketty Espruinon GPIO-pinniin. Portin jännite määrittää, voiko virta virrata tyhjennyksestä kuormaan – porttiin tai portista ei virtaa virtaa (toisin kuin bipolaariliitäntäisessä transistorissa) – tämä tarkoittaa, että jos portin annetaan kellua, FET voi kytkeytyä päälle tai pois päältä ympäristön sähkökenttien tai hyvin pienten virtojen vaikutuksesta. Demonstraationa voidaan kytkeä MOSFET normaalisti, lukuun ottamatta sitä, että porttipinniin ei kytketä mitään, ja sitten koskettaa porttia pitäen joko maata tai positiivista jännitettä – jopa kehosi vastuksen kautta voit kytkeä FET:n päälle ja pois päältä! Sen varmistamiseksi, että MOSFET pysyy pois päältä, vaikka tappi ei olisi kytkettynä (esim. sen jälkeen, kun Espruino on nollattu), portin ja lähteen väliin voidaan sijoittaa pull-down-vastus.
MOSFETit kytkevät vain yhteen suuntaan virtaavan virran; niissä on diodi lähteen ja tyhjennyksen välissä toiseen suuntaan (toisin sanoen jos tyhjennys (N-kanavaisessa laitteessa) laskee lähteen jännitteen alapuolelle, virtaa virtaa lähteestä tyhjennykseen). Tämä diodi, ”runkodiodi”, on seurausta valmistusprosessista. Tätä ei pidä sekoittaa diodiin, joka on joskus sijoitettu tyhjennyksen ja kuorman virtalähteen väliin – tämä on erillinen, ja se olisi sisällytettävä induktiivisen kuorman ajamiseen.
Jollei toisin mainita, tässä osassa oletetaan, että käytetään N-kanavaista tehostustilan MOSFETiä.
N-kanavaisessa MOSFETissä lähde on kytketty maahan, tyhjennys kuormaan ja FET kytkeytyy päälle, kun porttiin kytketään positiivinen jännite. N-kanavaisten MOSFETien kanssa on helpompi työskennellä, ja ne ovat yleisimmin käytetty tyyppi. Niitä on myös helpompi valmistaa, ja siksi niitä on saatavana halvemmalla hinnalla paremmalla suorituskyvyllä kuin p-kanavaisia MOSFET:iä.
P-kanavaisessa MOSFET:ssä lähde on kytketty positiiviseen jännitteeseen, ja FET kytkeytyy päälle, kun portin jännite on tietyllä määrällä lähdejännitteen alapuolella (Vgs < 0). Tämä tarkoittaa, että jos haluat käyttää P-kanavaista mosfetiä kytkemään yli 5 V:n jännitteitä, tarvitset toisen transistorin (jonkinlaisen) kytkemään sen päälle ja pois päältä.
MOSFETien valinta
Gate-to-Source voltage (Vgs) Yksi tärkeimmistä spekseistä on jännite, joka tarvitaan FET:n kytkemiseen kokonaan päälle. Tämä ei ole kynnysjännite – se on jännite, jolla se alkaa ensimmäisen kerran kytkeytyä päälle. Koska Espruino voi antaa vain 3,3 voltin ulostulon, yksinkertaisinta kytkentää varten tarvitsemme osan, joka tarjoaa hyvän suorituskyvyn 3,3 voltin porttiohjauksella. Valitettavasti saatavilla ei ole monia MOSFET:iä kätevissä läpireikäpakkauksissa, jotka toimivat 3,3 voltin porttiohjauksella. IRF3708PBF on hyvä valinta suuressa TO-220-paketissa – sen virrankäsittelykapasiteetti riittää lähes kaikkiin tarkoituksiin, jopa 3,3 voltin porttiohjauksella. Pienempää virtaa varten On Semiconductorin 5LN01SP-AC on vaihtoehto; se on TO-92-paketissa, ja se voi käsitellä jopa 100mA.
MOSFET:n datalehdessä on tyypillisesti mukana kaavio, jossa näytetään päälläolotilan ominaisuudet eri porttijännitteillä. Keskeinen spesifikaatio tässä annetaan tyypillisesti kuvaajana tyhjennysvirran (Id) ja tyhjennys-lähdejännitteen (Vds – tämä on jännitehäviö MOSFETin yli) välille, jossa on useita viivoja eri porttijännitteille. IRF3708PBF:n tapauksessa tämä kuvaaja on kuva 1. Huomaa, että 10 ampeerin id:llä jännitehäviö (Vds) on hädin tuskin yli 0,1 V 3,3 V:n porttiohjauksella, ja 3,3 V:n ja korkeampien jännitteiden viivoja voi tuskin erottaa toisistaan.
Pinta-asennuspaketeissa on saatavilla erittäin laaja valikoima pienjännite-MOSFET:iä, joilla on erinomaiset speksit, usein hyvin alhaisin hinnoin. Suosittu SOT-23-paketti voidaan juottaa Espruinon SMD-prototyyppialueen päälle, kuten alla olevissa kuvissa on esitetty, tai käyttää yhtä monista edullisista breakout-levyistä, joita on saatavana eBaysta ja monista elektroniikkaharrastusmyyjistä.
Continuous Current Varmista, että osan jatkuva virran nimellisarvo riittää kuormitukselle – monilla osilla on sekä huippuvirran että jatkuvan virran nimellisarvo, ja luonnollisesti edellinen on usein otsikon speksejä.
Drain-Source Voltage (Vds) Tämä on suurin jännite, jonka MOSFET voi kytkeä.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Tämä on maksimijännite, joka voi kohdistua porttiin. Tällä on merkitystä erityisesti silloin, kun p-kanavainen MOSFET kytkee melko suurta jännitettä, kun jännitettä vedetään alaspäin toisella transistorilla tai FET:llä sen kytkemiseksi päälle.
Pinoutit
Näissä näkyvät tyypillisten TO-220- ja SOT-23-MOSFET:ien pinoutit. Tutustu kuitenkin AINA datalehteen ennen minkään kytkemistä, jos huomaat käyttäväsi oudompaa osaa.
Kytkentä
N-kanava:
Espruino, jota käytetään 100W:n kuorman kytkemiseen IRF3708:n avulla. Huomaa 10k vastus portin ja lähteen välillä. Kuorma on 100W 660nm LED-joukko, joka vetää ~3.8A (per speksit) 22v:lla (enemmän kuin 85W) – se on kuvan ulkopuolella (se on melko kirkas).
Tässä näkyy kaksi N-kanavaista MOSFET:iä Espruinon pintaliitosprototyyppialueella, toinen SOT-23:ssa (oikealla) ja toinen SOIC-8:ssa (vasemmalla). Huomaa, että SMD-tyynyjen ja Espruinon nastojen väliset jäljet ovat melko ohuet, joten tätä ei pitäisi käyttää paljon yli ampeerin virroille.
P-kanava:
Tässä näytetään N-kanavainen MOSFET, jota käytetään kytkemään päälle P-kanavainen MOSFET – tämä kokoonpano on hyödyllinen, kun sinun on kytkettävä piirin korkeaa puolta, joka saa virtaa jostain yli 5 voltin jännitteestä – tässä esimerkissä oletetaan, että Espruinon VBat on virtalähde.
Skeemapiirrokset
Nämä skeemapiirrokset näyttävät muutamia yleisiä MOSFET-konfiguraatioita, kuten niitä käytettäisiin Espruinon kanssa. Vastusten tarkat arvot eivät ole olennaisia; suurempi vastus toimii hyvin (ja voi olla toivottavaa, jos virrankulutus on erityisen tärkeää). Kuten jäljempänä näkyy, P-kanavaisen MOSFETin käyttäminen yli 5 voltin jännitteiden kytkemiseen edellyttää monimutkaisempaa piiriä. Näin ei ole silloin, kun käytetään N-kanavaista MOSFETiä korkeiden jännitteiden kytkemiseen; koska lähde on maadoitettu, portin ei tarvitse nousta kytkettävään jännitteeseen, kuten P-kanavaisessa MOSFETissä, jossa lähde on positiivinen jännite.
MOSFETit vs. releet
- MOSFETit eivät kuluta käytännössä lainkaan virtaa, kun taas releet kuluttavat huomattavan määrän virtaa kytkettynä.
- MOSFET:iä voidaan ohjata PWM:llä. Releitä ei voi.
- MOSFETit vaativat jaettua maata (tai p-kanavan syöttöä), kun taas releet eristävät täysin ajettavan piirin.
- MOSFETit voivat kytkeä vain DC-kuormia, kun taas releet voivat eristettyinä kytkeä myös AC-kuormia.
MOSFETit vs. bipolaariset liitostransistorit
- MOSFETejä ohjataan jännitteellä, ei virralla. Porttivirta on häviävän pieni, kun taas BJT:llä on ei-negatiivinen pohjavirta.
- MOSFETeillä on usein pienempi jännitehäviö päällä olevassa tilassa.
- MOSFETit kytkeytyvät itsestään päälle, jos portin annetaan leijua, BJT:t vaativat virran kulkua, joten ne eivät..
- MOSFETit ovat usein kalliimpia, ja ne ovat historiallisesti olleet herkempiä staattisille vaurioille.
Enhance vs Depletion mode
Suurin osa käytetyistä MOSFETeistä on niin sanottuja enhancement mode -laitteita, ja yllä olevassa kirjoituksessa on oletettu käytettävän enhancement mode MOSFETiä. Täydentämistilassa olevassa MOSFET:ssä taas, kun portti on samassa jännitteessä kuin lähde (Vgs=0), MOSFET ei johda.
Kulutusmoodin MOSFET:ssä, kun Vgs = 0, MOSFET on päällä, ja porttiin on syötettävä jännite johtavuuden lopettamiseksi. Syötetty jännite on päinvastainen kuin se, joka sytyttäisi enhancement-moodin MOSFETin – joten N-kanavaiselle enhancement-moodin MOSFETille on syötettävä negatiivinen jännite, jotta se kytkeytyy pois päältä.
Ostaminen
- Digikey
- Mouser
- eBayssa (vain tavanomaiset osat)