Un MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) est un dispositif semi-conducteur qui peut être utilisé comme un commutateur à l’état solide. Ils sont utiles pour contrôler les charges qui consomment plus de courant, ou nécessitent une tension plus élevée, qu’une broche GPIO peut fournir. Dans leur état éteint, les MOSFET sont non-conducteurs, tandis que dans leur état allumé, ils ont une résistance extrêmement faible – souvent mesurée en milliohms. Les MOSFETs ne peuvent être utilisés que pour commuter des charges à courant continu.
Les MOSFETs ont trois broches, la source, le drain et la porte. La source est connectée à la masse (ou à la tension positive, dans un MOSFET à canal p), le drain est connecté à la charge, et la grille est connectée à une broche GPIO sur l’Espruino. La tension sur la grille détermine si le courant peut circuler du drain vers la charge – aucun courant ne circule vers ou depuis la grille (contrairement à un transistor à jonction bipolaire) – cela signifie que si la grille est autorisée à flotter, le FET peut s’allumer ou s’éteindre en réponse aux champs électriques ambiants ou à des courants très faibles. À titre de démonstration, on peut câbler un MOSFET normalement, en ne connectant rien à la broche de la grille, puis en touchant la grille tout en maintenant la terre ou une tension positive – même par la résistance de votre corps, vous pouvez allumer et éteindre le FET ! Pour s’assurer qu’un MOSFET reste éteint même si la broche n’est pas connectée (ex, après la réinitialisation d’Espruino), une résistance pull-down peut être placée entre la grille et la source.
Les MOSFET ne commutent que le courant circulant dans un sens ; ils ont une diode entre la source et le drain dans l’autre sens (en d’autres termes, si le drain (sur un dispositif à canal N) descend en dessous de la tension sur la source, le courant passera de la source au drain). Cette diode, la « diode de corps », est une conséquence du processus de fabrication. Elle ne doit pas être confondue avec la diode parfois placée entre le drain et l’alimentation de la charge – elle est distincte et doit être incluse lors du pilotage d’une charge inductive.
Sauf indication contraire, cette section suppose l’utilisation d’un MOSFET à canal N en mode d’enrichissement.
Canal N vs canal P
Dans un MOSFET à canal N, la source est connectée à la masse, le drain à la charge, et le FET s’allume lorsqu’une tension positive est appliquée à la grille. Les MOSFET à canal N sont plus faciles à utiliser et constituent le type le plus communément utilisé. Ils sont également plus faciles à fabriquer, et sont donc disponibles à des prix plus bas avec des performances plus élevées que les MOSFET à canal p.
Dans un MOSFET à canal P, la source est connectée à une tension positive, et le FET s’allume lorsque la tension sur la grille est inférieure à la tension de la source d’une certaine quantité (Vgs < 0). Cela signifie que si vous voulez utiliser un mosfet à canal P pour commuter des tensions supérieures à 5V, vous aurez besoin d’un autre transistor (de quelque sorte) pour l’allumer et l’éteindre.
Sélection des MOSFETs
Gate-to-Source voltage (Vgs) L’une des spécifications les plus importantes est la tension requise pour allumer complètement le FET. Ce n’est pas la tension de seuil – c’est la tension à laquelle il commence à s’allumer. Puisque l’Espruino ne peut sortir que 3.3v, pour la connexion la plus simple, nous avons besoin d’une pièce qui offre de bonnes performances avec une commande de grille de 3.3v. Malheureusement, il n’y a pas beaucoup de MOSFETs disponibles dans des boîtiers à trous traversants pratiques qui fonctionnent avec une commande de grille de 3.3v. L’IRF3708PBF est un bon choix dans le grand boîtier TO-220 – sa capacité de gestion du courant est suffisante pour presque tous les usages, même à 3,3 V sur la grille. Pour un courant plus faible, le 5LN01SP-AC de On Semiconductor est une option ; il est livré dans un boîtier TO-92, et peut gérer jusqu’à 100mA.
Dans la fiche technique d’un MOSFET, on trouvera généralement un graphique montrant les propriétés de l’état passant à différentes tensions de grille. La spécification clé ici sera généralement donnée comme un graphique du courant de drain (Id) par rapport à la tension drain-source (Vds – c’est la chute de tension à travers le MOSFET), avec plusieurs lignes pour différentes tensions de grille. Pour l’exemple de l’IRF3708PBF, ce graphique est la Figure 1. Remarquez comment à une Id de 10 ampères, la chute de tension (Vds) est à peine supérieure à 0,1v avec une commande de grille de 3,3v, et on peut à peine distinguer les lignes pour les tensions de 3,3v et plus.
Il existe une très grande variété de MOSFET à basse tension disponibles dans des boîtiers de montage en surface avec d’excellentes spécifications, souvent à des prix très bas. Le populaire boîtier SOT-23 peut être soudé sur la zone de prototypage SMD de l’Espruino, comme le montrent les images ci-dessous, ou utilisé avec l’une des nombreuses cartes de dépannage à bas prix disponibles sur eBay et chez de nombreux vendeurs de loisirs électroniques.
Continuous Current Assurez-vous que le courant nominal continu de la pièce est suffisant pour la charge – de nombreuses pièces ont à la fois un courant de crête et un courant nominal continu, et naturellement, le premier est souvent la spécification principale.
Drain-Source Voltage (Vds) C’est la tension maximale que le MOSFET peut commuter.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) C’est la tension maximale qui peut être appliquée sur la grille. Ceci est particulièrement pertinent dans le cas d’un MOSFET à canal p commutant une tension assez élevée, lorsque vous tirez la tension vers le bas avec un autre transistor ou FET pour l’allumer.
Pinouts
Ces-ci montrent le pinout des MOSFETs TO-220 et SOT-23 typiques. Cependant, consultez TOUJOURS la fiche technique avant de connecter quoi que ce soit, au cas où vous vous retrouveriez à utiliser une pièce wierdo.
Connexion
Canal N:
Un Espruino étant utilisé pour commuter une charge de 100W en utilisant un IRF3708. Notez la résistance de 10k entre la grille et la source. La charge est une matrice de LED de 100W 660nm, tirant ~3,8A (selon les spécifications) à 22v (plutôt 85W) – elle est à l’extérieur de l’image (elle est plutôt lumineuse).
Ceci montre deux MOSFETs à canal N sur la zone de prototypage de montage en surface sur un Espruino, l’un en SOT-23 (à droite) et l’autre en SOIC-8 (à gauche). Notez que les traces entre les pastilles CMS et les broches sur l’Espruino sont assez fines, donc cela ne devrait pas être utilisé pour des courants beaucoup plus élevés qu’un ampère.
Canal P :
Ceci montre un MOSFET à canal N utilisé pour allumer un MOSFET à canal P – cette configuration est utile lorsque vous avez besoin de commuter le côté haut d’un circuit alimenté par quelque chose au-dessus de 5 volts – cet exemple suppose que le VBat de l’Espruino est la source d’alimentation.
Schémas
Ces schémas montrent quelques configurations courantes pour les MOSFETs tels qu’ils seraient utilisés avec l’Espruino. Les valeurs exactes des résistances ne sont pas essentielles ; une résistance de valeur supérieure fonctionnera très bien (et peut être souhaitable lorsque l’utilisation de la puissance est particulièrement préoccupante). Comme on peut le voir ci-dessous, l’utilisation d’un MOSFET à canal P pour commuter des tensions supérieures à 5v implique un circuit plus compliqué. Ce n’est pas le cas lorsqu’on utilise un MOSFET à canal N pour commuter des tensions élevées ; puisque la source est mise à la terre, la grille n’a pas besoin de monter jusqu’à la tension à commuter, comme c’est le cas sur un MOSFET à canal P, où la source est la tension positive.
MOSFETs vs Relais
- Les MOSFETs ne consomment essentiellement aucune énergie, tandis que les relais utilisent une quantité importante d’énergie lorsqu’ils sont allumés.
- Les MOSFETs peuvent être pilotés par PWM. Les relais ne le peuvent pas.
- Les MOSFETs nécessitent une masse partagée (ou une alimentation pour le canal p), alors que les relais isolent complètement le circuit piloté.
- Les MOSFETs ne peuvent commuter que des charges en courant continu, alors que les relais, étant isolés, peuvent aussi commuter du courant alternatif.
MOSFETs vs Transistors à Jonction Bipolaire
- Les MOSFETs sont contrôlés par la tension, pas par le courant. Le courant de grille est négligeable, alors qu’un BJT a un courant de base non négligeable.
- Les MOSFETs ont souvent une chute de tension plus faible dans leur état de marche.
- Les MOSFETs s’allument tout seuls si on laisse la grille flotter, les BJTs nécessitent un courant pour circuler, donc ils ne le feront pas..
- Les MOSFETs sont souvent plus chers, et étaient historiquement plus vulnérables aux dommages statiques.
Mode d’amélioration vs mode d’appauvrissement
La majorité des MOSFET utilisés sont des dispositifs dits en mode d’amélioration, et la rédaction ci-dessus a supposé l’utilisation d’un MOSFET en mode d’amélioration. Encore une fois, dans un MOSFET en mode amélioration, lorsque la grille est à la même tension que la source (Vgs=0), le MOSFET ne conduit pas.
Dans un MOSFET en mode déplétion, lorsque Vgs = 0, le MOSFET est conducteur, et une tension doit être appliquée à la grille afin d’arrêter la conduction. La tension fournie est l’opposé de ce qui allumerait un MOSFET en mode d’enrichissement – donc pour un MOSFET en mode d’enrichissement à canal N, une tension négative doit être appliquée pour l’éteindre.
Achat
- Digikey
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