A MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) egy félvezető eszköz, amely szilárdtest kapcsolóként használható. Ezek hasznosak olyan terhelések vezérlésére, amelyek több áramot vesznek fel, vagy nagyobb feszültséget igényelnek, mint amennyit egy GPIO pin szolgáltatni tud. Kikapcsolt állapotukban a MOSFET-ek nem vezetnek, míg bekapcsolt állapotukban rendkívül alacsony – gyakran milliohmban mért – ellenállással rendelkeznek. A MOSFET-ek csak egyenáramú terhelések kapcsolására használhatók.
A MOSFET-eknek három csapjuk van: Source, Drain és Gate. A forrás a földhöz (vagy a pozitív feszültséghez, egy p-csatornás MOSFET esetében), a csatorna a terheléshez, a kapu pedig az Espruino egy GPIO-tűjéhez van csatlakoztatva. A kapun lévő feszültség határozza meg, hogy áram folyhat-e a lefolyóból a terhelésbe – a kapuhoz vagy a kapuból nem folyik áram (ellentétben a bipoláris átmenetű tranzisztorral) – ez azt jelenti, hogy ha a kapu lebeghet, a FET be- vagy kikapcsolhat a környezeti elektromos mezők vagy nagyon apró áramok hatására. Demonstrációként egy MOSFET-et normálisan bekábelezhetünk, kivéve, hogy semmit sem csatlakoztatunk a kaputüskéhez, majd megérintjük a kaput, miközben vagy földet, vagy pozitív feszültséget tartunk – akár a testünk ellenállásán keresztül is be- és kikapcsolhatjuk a FET-et! Annak érdekében, hogy a MOSFET akkor is kikapcsolva maradjon, ha a pin nincs csatlakoztatva (pl. az Espruino resetelése után), egy pull-down ellenállás helyezhető a kapu és a forrás közé.
A MOSFET-ek csak az egyik irányban folyó áramot kapcsolják; a másik irányban a forrás és a lefolyó között dióda van (más szóval, ha a lefolyó (egy N-csatornás eszközön) a forráson lévő feszültség alá esik, az áram a forrásból a lefolyóba áramlik). Ez a dióda, a “testdióda” a gyártási folyamat következménye. Ez nem tévesztendő össze a diódával, amelyet néha a lefolyó és a terhelés tápellátása közé helyeznek – ez különálló, és induktív terhelés meghajtásakor figyelembe kell venni.
Ahol nem szerepel, ez a szakasz egy N-csatornás enhancement mode MOSFET használatát feltételezi.
N-csatornás vs. P-csatornás
N-csatornás MOSFET esetén a forrás a földhöz, a lefolyó a terheléshez van csatlakoztatva, és a FET akkor kapcsol be, ha a kapura pozitív feszültséget kapcsolunk. Az N-csatornás MOSFET-ekkel könnyebb dolgozni, és ezek a leggyakrabban használt típusok. A gyártásuk is egyszerűbb, ezért alacsonyabb áron, nagyobb teljesítmény mellett kaphatók, mint a p-csatornás MOSFET-ek.
A P-csatornás MOSFET-ben a forrás pozitív feszültségre van kötve, és a FET akkor kapcsol be, ha a kapun lévő feszültség egy bizonyos értékkel a forrásfeszültség alatt van (Vgs < 0). Ez azt jelenti, hogy ha egy P-csatornás Mosfet-tel 5V-nál nagyobb feszültséget akarunk kapcsolni, akkor egy másik (valamilyen) tranzisztorra lesz szükségünk a be- és kikapcsoláshoz.
MOSFET-ek kiválasztása
Gate-to-Source voltage (Vgs) Az egyik legfontosabb specifikáció a FET teljes bekapcsolásához szükséges feszültség. Ez nem a küszöbfeszültség – ez az a feszültség, amelynél először kezd bekapcsolni. Mivel az Espruino csak 3,3v-ot tud kiadni, a legegyszerűbb csatlakozáshoz olyan alkatrészre van szükségünk, amely 3,3v-os kapu meghajtással jó teljesítményt nyújt. Sajnos nem sok olyan MOSFET áll rendelkezésre kényelmes átmenő lyukú csomagolásban, amely 3,3 V-os kapu meghajtással működik. Az IRF3708PBF jó választás a nagyméretű TO-220-as csomagolásban – áramfelvevő képessége szinte minden célra elegendő, még 3,3v-os kapukapcsolás mellett is. Alacsonyabb áramerősség esetén az On Semiconductor 5LN01SP-AC egy lehetőség; ez TO-92-es csomagolásban van, és 100mA-ig képes kezelni.
A MOSFET adatlapján általában szerepel egy grafikon, amely a bekapcsolt állapot tulajdonságait mutatja különböző kapufeszültségek mellett. A legfontosabb specifikáció itt jellemzően a drain-áram (Id) és a drain-forrás feszültség (Vds – ez a MOSFET-en keresztüli feszültségesés) grafikonja, több vonallal a különböző kapufeszültségekhez. Az IRF3708PBF példájánál ez a grafikon az 1. ábra. Vegye észre, hogy 10 amper Id-nél a feszültségesés (Vds) alig haladja meg a 0,1 V-ot 3,3 V-os kapu meghajtás esetén, és alig lehet megkülönböztetni a 3,3 V-os és a magasabb feszültségekre vonatkozó vonalakat.
A kisfeszültségű MOSFET-ek nagyon széles választéka áll rendelkezésre felületre szerelt csomagolásban, kiváló specifikációkkal, gyakran nagyon alacsony áron. A népszerű SOT-23 csomag forrasztható az Espruino SMD prototípus területére, ahogy az alábbi képeken látható, vagy használható az eBay-en és számos elektronikai hobbikereskedőnél kapható számos olcsó breakout lap egyikével.
Continuous Current Győződjön meg róla, hogy az alkatrész folyamatos áramerőssége elegendő a terheléshez – sok alkatrésznek van csúcsáram és folyamatos áramerősség is, és természetesen az előbbi gyakran a címlapon szereplő specifikáció.
Drain-Source Voltage (Vds) Ez az a maximális feszültség, amelyet a MOSFET kapcsolni tud.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Ez az a maximális feszültség, amelyet a kapun lehet alkalmazni. Ez különösen fontos abban az esetben, ha egy p-csatornás MOSFET meglehetősen magas feszültséget kapcsol, amikor egy másik tranzisztorral vagy FET-tel húzza le a feszültséget a bekapcsoláshoz.
Tűkiosztás
Ezek a tipikus TO-220 és SOT-23 MOSFET-ek tűkiosztását mutatják. Azonban MINDIG olvassa el az adatlapot, mielőtt bármit is csatlakoztatna, arra az esetre, ha egy furcsa alkatrészt használna.
Kapcsolás
N-csatornás:
Egy Espruino, amelyet egy 100 W-os terhelés kapcsolására használnak egy IRF3708 segítségével. Figyelje meg a 10k ellenállást a kapu és a forrás között. A terhelés egy 100W-os 660nm-es LED tömb, amely ~3,8A-t húz (specifikáció szerint) 22v-nál (inkább 85W) – a képen kívül van (meglehetősen fényes).
Az alábbi képen két N-csatornás MOSFET látható egy Espruino felületre szerelt prototípus területén, az egyik SOT-23-ban (jobbra), a másik SOIC-8-ban (balra). Vegye figyelembe, hogy az SMD-padok és az Espruino csapjai közötti nyomvonalak meglehetősen vékonyak, így ez nem használható egy erősítőnél sokkal nagyobb áramokhoz.
P-csatornás:
Ez egy N-csatornás MOSFET-et mutat, amelyet egy P-csatornás MOSFET bekapcsolására használnak – ez a konfiguráció hasznos, ha egy 5 volt feletti feszültségű áramkör magas oldalát kell kapcsolni – ez a példa feltételezi, hogy az Espruino VBat a tápforrás.
Sémák
Ezek a sémák néhány gyakori konfigurációt mutatnak a MOSFET-ek számára, ahogyan azokat az Espruinóval használnánk. Az ellenállások pontos értékei nem lényegesek; egy nagyobb értékű ellenállás is jól működik (és kívánatos lehet, ha az energiafelhasználás különösen fontos). Amint alább látható, a P-csatornás MOSFET használata az 5 V feletti feszültségek kapcsolására bonyolultabb áramkört foglal magában. Ez nem így van, ha egy N-csatornás MOSFET-et használunk magas feszültségek kapcsolására; mivel a forrás földelve van, a kapunak nem kell a kapcsolandó feszültségre emelkednie, mint egy P-csatornás MOSFET-nél, ahol a forrás a pozitív feszültség.
MOSFET vs. relék
- A MOSFET-ek lényegében nem fogyasztanak áramot, míg a relék bekapcsoláskor jelentős mennyiségű áramot használnak.
- A MOSFET-ek PWM-mel vezérelhetők. A reléket nem lehet.
- A MOSFET-ek közös földet (vagy p-csatornás tápellátást) igényelnek, míg a relék teljesen elszigetelik a meghajtandó áramkört.
- A MOSFET-ek csak egyenáramú terhelést tudnak kapcsolni, míg a relék, mivel elszigeteltek, váltakozó áramot is tudnak kapcsolni.
MOSFET-ek vs. bipoláris kötéses tranzisztorok
- A MOSFET-eket feszültséggel vezérlik, nem árammal. Elhanyagolható a kapuáram, míg egy BJT-nél nem elhanyagolható a bázisáram.
- A MOSFET-ek gyakran alacsonyabb feszültségeséssel rendelkeznek bekapcsolt állapotukban.
- A MOSFET-ek bekapcsolják magukat, ha a kaput hagyják lebegni, a BJT-k áramot igényelnek az áramláshoz, így nem…
- A MOSFET-ek gyakran drágábbak, és történelmileg érzékenyebbek voltak a statikus sérülésekre.
Enhancement vs Depletion mode
A használt MOSFET-ek többsége úgynevezett enhancement mode eszközök, és a fenti írás feltételezte egy enhancement mode MOSFET használatát. Ismétlem, egy enhancement módú MOSFET esetében, amikor a kapu a forrással azonos feszültségen van (Vgs=0), a MOSFET nem vezet.
Elcsökkenési módú MOSFET-ben, amikor Vgs = 0, a MOSFET bekapcsolt állapotban van, és a vezetés leállításához feszültséget kell alkalmazni a kapura. A szolgáltatott feszültség az ellenkezője annak, ami egy enhancement módú MOSFET-et bekapcsolna – tehát egy N-csatornás enhancement módú MOSFET esetében negatív feszültséget kell alkalmazni a kikapcsoláshoz.
Vásárlás
- Digikey
- Mouser
- eBay (csak közös alkatrészek)