A MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) jest urządzeniem półprzewodnikowym, które może być używane jako przełącznik półprzewodnikowy. Są one przydatne do sterowania obciążeniami, które pobierają więcej prądu lub wymagają wyższego napięcia, niż może dostarczyć pin GPIO. W stanie wyłączonym MOSFETy są nieprzewodzące, natomiast w stanie włączonym mają bardzo niską rezystancję – często mierzoną w miliohmach. MOSFETy mogą być używane tylko do przełączania obciążeń DC.
MOSFETy mają trzy styki, źródło, dren i bramkę. Źródło jest podłączone do masy (lub dodatniego napięcia, w p-kanałowym MOSFECIE), dren jest podłączony do obciążenia, a bramka jest podłączona do pinu GPIO na Espruino. Napięcie na bramce określa, czy prąd może płynąć z drenu do obciążenia – żaden prąd nie płynie do lub z bramki (w przeciwieństwie do tranzystora bipolarnego) – oznacza to, że jeśli bramka jest wolna, FET może się włączać lub wyłączać w odpowiedzi na pola elektryczne otoczenia lub bardzo małe prądy. Jako demonstrację, można podłączyć MOSFET normalnie, z wyjątkiem nie podłączania niczego do styku bramki, a następnie dotknąć bramki trzymając albo masę albo dodatnie napięcie – nawet przez opór ciała, można włączyć i wyłączyć FET! Aby zapewnić, że MOSFET pozostanie wyłączony nawet jeśli pin nie jest podłączony (np. po zresetowaniu Espruino), rezystor pull-down może być umieszczony pomiędzy bramką a źródłem.
MOSFETy przełączają tylko prąd płynący w jednym kierunku; mają diodę pomiędzy źródłem a drenem w drugim kierunku (innymi słowy, jeśli dren (w urządzeniu N-kanałowym) spadnie poniżej napięcia na źródle, prąd będzie płynął ze źródła do drenu). Dioda ta, „body diode” jest konsekwencją procesu produkcyjnego. Nie należy jej mylić z diodą umieszczaną czasem między drenem a zasilaniem obciążenia – jest ona oddzielna i powinna być uwzględniona przy wysterowaniu obciążenia indukcyjnego.
Z wyjątkiem miejsc, gdzie to zaznaczono, ta sekcja zakłada użycie N-kanałowego tranzystora MOSFET pracującego w trybie wzmocnienia.
N-kanał vs P-kanał
W N-kanałowym MOSFET-cie źródło jest podłączone do masy, dren do obciążenia, a FET włączy się, gdy do bramki zostanie przyłożone dodatnie napięcie. N-kanałowe MOSFETy są łatwiejsze do pracy i są najczęściej używanym typem. Są one również łatwiejsze w produkcji, a zatem są dostępne po niższych cenach przy wyższej wydajności niż MOSFET-y p-kanałowe.
W MOSFET-ach P-kanałowych źródło jest podłączone do napięcia dodatniego, a FET włączy się, gdy napięcie na bramce będzie niższe od napięcia źródła o określoną wartość (Vgs < 0). Oznacza to, że jeśli chcesz użyć mosfetu z kanałem P do przełączania napięć wyższych niż 5V, będziesz potrzebował innego tranzystora (jakiegoś rodzaju) do jego włączania i wyłączania.
Wybór MOSFET-ów
Gate-to-Source voltage (Vgs) Jedną z najważniejszych cech jest napięcie wymagane do całkowitego włączenia FET-a. Nie jest to napięcie progowe – jest to napięcie, przy którym zaczyna się on włączać. Ponieważ Espruino może podawać tylko 3.3V, do najprostszego połączenia potrzebujemy części, która zapewni dobrą wydajność przy napięciu bramki 3.3V. Niestety, nie ma zbyt wielu MOSFET-ów dostępnych w wygodnych pakietach przelotowych, które będą pracować z bramką 3.3V. IRF3708PBF jest dobrym wyborem w dużej obudowie TO-220 – jego wydajność prądowa jest wystarczająca do niemal każdego celu, nawet przy napięciu 3,3 V na bramce. Dla mniejszych prądów, 5LN01SP-AC od On Semiconductor jest opcją; jest w opakowaniu TO-92 i może obsłużyć do 100mA.
W karcie katalogowej MOSFET-a zazwyczaj znajduje się wykres pokazujący właściwości stanu włączenia przy różnych napięciach bramki. Kluczowa specyfikacja będzie zazwyczaj podana jako wykres prądu drenu (Id) w zależności od napięcia dren-źródło (Vds – jest to spadek napięcia na MOSFET), z kilkoma liniami dla różnych napięć bramki. Dla przykładu IRF3708PBF, wykres ten jest rysunkiem 1. Zauważ, że przy Id 10 amperów spadek napięcia (Vds) jest ledwo powyżej 0,1 V przy napięciu bramki 3,3 V, a linie dla napięć 3,3 V i wyższych są ledwo rozróżnialne.
Istnieje bardzo szeroka gama niskonapięciowych MOSFET-ów dostępnych w pakietach do montażu powierzchniowego o doskonałej specyfikacji, często po bardzo niskich cenach. Popularny pakiet SOT-23 może być przylutowany do obszaru prototypowania SMD Espruino, jak pokazano na poniższych zdjęciach, lub użyty z jedną z wielu tanich płytek wyprowadzeń dostępnych na eBay i u wielu hobbystycznych sprzedawców elektroniki.
Continuous Current Upewnij się, że prąd znamionowy ciągły części jest wystarczający dla obciążenia – wiele części ma zarówno prąd szczytowy, jak i prąd ciągły, i naturalnie ten pierwszy jest często głównym parametrem.
Drain-Source Voltage (Vds) Jest to maksymalne napięcie, które MOSFET może przełączać.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Jest to maksymalne napięcie, które może być przyłożone na bramce. Jest to szczególnie istotne w przypadku p-kanałowego MOSFET-a przełączającego dość wysokie napięcie, gdy ściągamy napięcie innym tranzystorem lub FET-em, aby go włączyć.
Wtyki
Oto przedstawiają układy pinów typowych MOSFET-ów TO-220 i SOT-23. Jednakże, ZAWSZE należy zapoznać się z datasheetem przed podłączeniem czegokolwiek, na wypadek gdyby okazało się, że używasz części wierdo.
Połączenie
N-kanał:
Espruino używany do przełączania obciążenia 100W przy użyciu IRF3708. Zwróć uwagę na rezystor 10k pomiędzy bramką a źródłem. Obciążenie to matryca LED 100W 660nm, pobierająca ~3.8A (wg specyfikacji) przy 22V (bardziej 85W) – znajduje się poza zdjęciem (jest dość jasna).
To pokazuje dwa N-kanałowe MOSFETy na powierzchni do montażu prototypowego na Espruino, jeden w SOT-23 (po prawej) i drugi w SOIC-8 (po lewej). Zwróć uwagę, że ścieżki pomiędzy padami SMD i pinami na Espruino są dość cienkie, więc nie powinny być używane do prądów znacznie przekraczających ampera.
P-Channel:
To pokazuje N-kanałowy MOSFET używany do włączania P-kanałowego MOSFETu – ta konfiguracja jest przydatna, gdy trzeba przełączyć wysoką stronę obwodu zasilanego czymś powyżej 5 V – ten przykład zakłada, że VBat Espruino jest źródłem zasilania.
Schematy
Schematy te pokazują kilka typowych konfiguracji dla MOSFETów, tak jak byłyby one używane z Espruino. Dokładne wartości rezystorów nie są istotne; rezystor o wyższej wartości będzie działał dobrze (i może być pożądany, gdy zużycie energii jest szczególnie ważne). Jak widać poniżej, użycie P-kanałowego MOSFETa do przełączania napięć powyżej 5V wymaga bardziej skomplikowanego układu. Inaczej jest w przypadku użycia N-kanałowego MOSFETa do przełączania wysokich napięć; ponieważ źródło jest uziemione, bramka nie musi podchodzić do przełączanego napięcia, tak jak to się dzieje w przypadku P-kanałowego MOSFETa, gdzie źródłem jest napięcie dodatnie.
MOSFET-y vs przekaźniki
- MOSFET-y nie zużywają w zasadzie żadnej energii, podczas gdy przekaźniki zużywają znaczną ilość energii, gdy są włączone.
- MOSFET-y mogą być sterowane za pomocą PWM. Przekaźniki nie mogą.
- MOSFETy wymagają wspólnej masy (lub zasilania dla kanału p), podczas gdy przekaźniki całkowicie izolują napędzany obwód.
- MOSFETy mogą przełączać tylko obciążenia DC, podczas gdy przekaźniki, będąc izolowane, mogą przełączać również AC.
MOSFET-y vs tranzystory bipolarne
- MOSFET-y są sterowane napięciem, a nie prądem. Prąd bramki jest pomijalny, podczas gdy BJT ma nieistotny prąd bazy.
- MOSFET-y często mają niższy spadek napięcia w stanie włączonym.
- MOSFET-y włączą się, jeśli bramka będzie mogła się unosić, BJT wymagają przepływu prądu, więc nie będą..
- MOSFET-y są często droższe i historycznie były bardziej podatne na uszkodzenia statyczne.
Tryb wzmocnienia vs tryb zubożenia
Większość używanych MOSFET-ów to tak zwane urządzenia trybu wzmocnienia, a powyższy opis zakłada użycie MOSFET-u trybu wzmocnienia. Ponownie, w trybie wzmocnienia MOSFET, gdy bramka jest na tym samym napięciu co źródło (Vgs=0), MOSFET nie przewodzi.
W trybie zubożenia MOSFET, kiedy Vgs = 0, MOSFET jest włączony, a napięcie musi być przyłożone do bramki, aby zatrzymać przewodzenie. Dostarczone napięcie jest odwrotne do tego, które włączyłoby MOSFET pracujący w trybie wzmocnienia – więc w przypadku N-kanałowego MOSFET-u pracującego w trybie wzmocnienia należy przyłożyć ujemne napięcie, aby go wyłączyć.
Kupno
- Digikey
- Mouser
- eBay (tylko części wspólne)
.