Free Press

Een MOSFET (metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistor) is een halfgeleiderapparaat dat kan worden gebruikt als een solid-state schakelaar. Deze zijn nuttig voor het aansturen van belastingen die meer stroom trekken, of een hogere spanning vereisen, dan een GPIO-pen kan leveren. In uitgeschakelde toestand zijn MOSFET’s niet-geleidend, terwijl ze in ingeschakelde toestand een extreem lage weerstand hebben – vaak gemeten in milliohms. MOSFET’s kunnen alleen worden gebruikt om gelijkstroom belastingen te schakelen.

MOSFET’s hebben drie pennen, Source, Drain, en Gate. De bron is verbonden met de grond (of de positieve spanning, in een p-kanaal MOSFET), de drain is verbonden met de belasting, en de gate is verbonden met een GPIO pin op de Espruino. De spanning op de gate bepaalt of er stroom kan vloeien van de drain naar de belasting – er vloeit geen stroom van of naar de gate (in tegenstelling tot een bipolaire junctie-transistor) – dit betekent dat als de gate mag zweven, de FET kan in- of uitschakelen, in reactie op elektrische velden in de omgeving, of zeer kleine stroompjes. Ter demonstratie kan men een MOSFET normaal aansluiten, behalve niets op de poortpin, en dan de poort aanraken terwijl men ofwel de massa ofwel een positieve spanning vasthoudt – zelfs door de weerstand van uw lichaam kunt u de FET in- en uitschakelen! Om ervoor te zorgen dat een MOSFET uitgeschakeld blijft, zelfs als de pin niet is aangesloten (bijv. nadat Espruino is gereset), kan een pull-down-weerstand tussen gate en source worden geplaatst.

MOSFET’s schakelen alleen stroom in één richting; ze hebben een diode tussen source en drain in de andere richting (met andere woorden, als de drain (bij een N-kanaals apparaat) onder de spanning op de source komt, zal stroom van de source naar de drain vloeien). Deze diode, de “body diode”, is een gevolg van het fabricageproces. Dit moet niet worden verward met de diode die soms wordt geplaatst tussen de drain en de voeding voor de belasting – deze is apart, en moet worden opgenomen bij het aansturen van een inductieve belasting.

Behoudens waar vermeld, wordt in dit hoofdstuk uitgegaan van het gebruik van een N-kanaals MOSFET met versterkingsmodus.

N-kanaals vs P-kanaal

In een N-kanaals MOSFET is de bron verbonden met massa, de drain met de belasting, en de FET gaat aan wanneer een positieve spanning op de gate wordt gezet. N-kanaals MOSFET’s zijn gemakkelijker om mee te werken, en zijn het meest gebruikte type. Ze zijn ook gemakkelijker te fabriceren, en zijn dus beschikbaar voor lagere prijzen met hogere prestaties dan p-kanaal MOSFETs.

In een P-kanaal MOSFET, is de bron verbonden met een positieve spanning, en de FET zal inschakelen wanneer de spanning op de gate een bepaald bedrag lager is dan de bronspanning (Vgs < 0). Dit betekent dat als u een P-kanaals mosfet wilt gebruiken om spanningen hoger dan 5V te schakelen, u een andere transistor (van een soort) nodig hebt om hem aan en uit te zetten.

Selectie van MOSFETs

Gate-to-Source voltage (Vgs) Een van de belangrijkste specificaties is de spanning die nodig is om de FET volledig aan te zetten. Dit is niet de drempelspanning – dat is de spanning waarbij hij voor het eerst begint aan te zetten. Aangezien de Espruino slechts 3,3 V kan uitsturen, hebben we voor de eenvoudigste aansluiting een onderdeel nodig dat goede prestaties levert met een 3,3 V gate drive. Jammer genoeg zijn er niet veel MOSFET’s beschikbaar in handige through-hole pakketten die werken met een 3.3v gate drive. De IRF3708PBF is een goede keuze in het grote TO-220 pakket – zijn stroomverwerkingscapaciteit is voldoende voor bijna elk doel, zelfs bij 3,3 V aan de gate. Voor lagere stroom, de 5LN01SP-AC van On Semiconductor is een optie; het komt in een TO-92 pakket, en kan tot 100mA behandelen.

In het gegevensblad voor een MOSFET wordt meestal een grafiek opgenomen met de aan-stateigenschappen bij verschillende poortspanningen. De belangrijkste specificatie hier wordt meestal gegeven als een grafiek van de drainstroom (Id) versus drain-bronspanning (Vds – dit is de spanningsval over de MOSFET), met verschillende lijnen voor verschillende poortspanningen. Voor het voorbeeld van de IRF3708PBF is deze grafiek weergegeven in figuur 1. Merk op dat bij een Id van 10 ampère de spanningsval (Vds) nauwelijks boven 0,1 V uitkomt bij een 3,3 V gate drive, en dat men de lijnen voor 3,3 V en hogere spanningen nauwelijks uit elkaar kan houden.

Er is een zeer grote verscheidenheid van lage voltage MOSFETs beschikbaar in surface mount pakketten met uitstekende specs, vaak tegen zeer lage prijzen. Het populaire SOT-23 pakket kan worden gesoldeerd op het SMD-prototypegebied van de Espruino zoals weergegeven in de onderstaande foto’s, of worden gebruikt met een van de vele goedkope breakout-borden die verkrijgbaar zijn bij eBay en veel elektronica hobbyverkopers.

Continuous Current Zorg ervoor dat de continue stroomsterkte van het onderdeel voldoende is voor de belasting – veel onderdelen hebben zowel een piekstroom- als een continue stroomwaarde, en natuurlijk is de eerste vaak de hoofdspecificatie.

Drain-Source Voltage (Vds) Dit is de maximale spanning die de MOSFET kan schakelen.

Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Dit is de maximale spanning die op de gate kan worden gezet. Dit is vooral relevant in het geval van een p-kanaal MOSFET die een vrij hoge spanning schakelt, wanneer u de spanning omlaag trekt met een andere transistor of FET om hem in te schakelen.

Pinouts

Deze tonen de pinout van typische TO-220 en SOT-23 MOSFETs. Raadpleeg echter ALTIJD de datasheet voordat u iets aansluit, voor het geval u een vreemd onderdeel gebruikt.

Aansluiting

N-kanaal:

Een Espruino die wordt gebruikt om een belasting van 100 W te schakelen met een IRF3708. Let op de weerstand van 10k tussen de gate en de source. De belasting is een 100W 660nm LED-array, die ~3.8A trekt (per specs) bij 22v (meer als 85W) – het is buiten de foto (het is nogal helder).

Dit toont twee N-kanaals MOSFET’s op de surface mount prototyping area op een Espruino, een in SOT-23 (rechts) en de andere in SOIC-8 (links). Merk op dat de sporen tussen de SMD pads en de pennen op de Espruino vrij dun zijn, dus dit moet niet worden gebruikt voor stromen veel meer dan een amp.

P-kanaal:

Dit toont een N-kanaals MOSFET die wordt gebruikt om een P-kanaals MOSFET in te schakelen – deze configuratie is nuttig wanneer u de hoge kant van een circuit moet schakelen dat wordt gevoed door iets boven 5 volt – dit voorbeeld gaat ervan uit dat de VBat van de Espruino de stroombron is.

Schema’s

Deze schema’s tonen een paar veel voorkomende configuraties voor MOSFET’s zoals ze zouden worden gebruikt met de Espruino. De exacte waarden van de weerstanden zijn niet essentieel; een weerstand met een hogere waarde werkt prima (en kan wenselijk zijn als het stroomverbruik van bijzonder belang is). Zoals hieronder te zien is, heeft het gebruik van een P-kanaal MOSFET om spanningen boven 5 V te schakelen een ingewikkelder schakeling tot gevolg. Dit is niet het geval bij gebruik van een N-kanaal MOSFET om hoge spanningen te schakelen; omdat de bron is geaard, hoeft de gate niet omhoog te gaan naar de spanning die wordt geschakeld, zoals bij een P-kanaal MOSFET, waar de bron de positieve spanning is.

MOSFET’s vs. relais

• MOSFET’s verbruiken in wezen geen stroom, terwijl relais bij inschakeling een aanzienlijke hoeveelheid stroom verbruiken.
• MOSFET’s kunnen worden aangestuurd met PWM. Relais niet.
• MOSFET’s vereisen een gedeelde aarde (of voeding voor p-kanaal), terwijl relais het circuit dat wordt aangestuurd volledig isoleren.
• MOSFET’s kunnen alleen DC-belastingen schakelen, terwijl relais, omdat ze geïsoleerd zijn, ook AC kunnen schakelen.

MOSFET’s vs Bipolaire Junctie Transistoren

• MOSFET’s worden aangestuurd door spanning, niet door stroom. Er is een te verwaarlozen poortstroom, terwijl een BJT een niet te verwaarlozen basisstroom heeft.
• MOSFET’s hebben vaak een lagere spanningsval in hun aan-stand.
• MOSFET’s zullen zichzelf aanzetten als de gate mag zweven, BJT’s vereisen stroom om te stromen, dus ze zullen dat niet doen.
• MOSFET’s zijn vaak duurder, en waren historisch gezien kwetsbaarder voor statische schade.

Verbetering vs. Depletion mode

De meerderheid van de gebruikte MOSFET’s zijn zogenaamde versterkingsmode-apparaten, en in het bovenstaande verslag is uitgegaan van het gebruik van een versterkingsmode MOSFET. Nogmaals, in een enhancement mode MOSFET, wanneer de gate op dezelfde spanning staat als de bron (Vgs=0), geleidt de MOSFET niet.

In een depletion mode MOSFET, wanneer Vgs = 0, staat de MOSFET aan, en moet een spanning op de gate worden gezet om geleiding te stoppen. De geleverde spanning is het tegendeel van wat een enhancement mode MOSFET zou inschakelen – dus voor een N-kanaal enhancement mode MOSFET, moet een negatieve spanning worden toegepast om het uit te schakelen.

Kopen

• Digikey
• Mouser
• eBay (alleen gemeenschappelijke onderdelen)