Un MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) este un dispozitiv semiconductor care poate fi folosit ca un comutator în stare solidă. Acestea sunt utile pentru a controla sarcini care consumă mai mult curent sau necesită o tensiune mai mare decât poate furniza un pin GPIO. În starea oprită, MOSFET-urile sunt neconductoare, în timp ce, în starea pornită, au o rezistență extrem de scăzută – adesea măsurată în miliohmi. MOSFET-urile pot fi utilizate numai pentru a comuta sarcini de curent continuu.
MOSFET-urile au trei pini, sursă, drenaj și poartă. Sursa este conectată la masă (sau la tensiunea pozitivă, în cazul unui MOSFET cu canal p), drenajul este conectat la sarcină, iar poarta este conectată la un pin GPIO de pe Espruino. Tensiunea de pe poartă determină dacă curentul poate trece de la drenă la sarcină – niciun curent nu circulă spre sau dinspre poartă (spre deosebire de un tranzistor cu joncțiune bipolară) – acest lucru înseamnă că, dacă poarta este lăsată să plutească, FET-ul se poate porni, sau opri, ca răspuns la câmpurile electrice ambientale sau la curenți foarte mici. Ca demonstrație, se poate cabla un MOSFET în mod normal, cu excepția faptului că nu se conectează nimic la pinul porții, iar apoi se poate atinge poarta în timp ce se menține fie masa, fie o tensiune pozitivă – chiar și prin rezistența corpului dumneavoastră, puteți porni și opri FET-ul! Pentru a vă asigura că un MOSFET rămâne oprit chiar dacă pinul nu este conectat (de exemplu, după ce Espruino este resetat), se poate plasa un rezistor de tragere în jos între poartă și sursă.
MOSFET-urile comută doar curentul care circulă într-o singură direcție; ele au o diodă între sursă și drenă în cealaltă direcție (cu alte cuvinte, dacă drena (pe un dispozitiv cu canal N) scade sub tensiunea de pe sursă, curentul va trece de la sursă la drenă). Această diodă, „dioda de corp”, este o consecință a procesului de fabricație. Aceasta nu trebuie confundată cu dioda plasată uneori între drenă și sursa de alimentare a sarcinii – aceasta este separată și trebuie inclusă atunci când se pilotează o sarcină inductivă.
Cu excepția cazurilor în care este menționat, această secțiune presupune utilizarea unui MOSFET cu mod de îmbunătățire cu canal N.
N-canal vs P-canal
Într-un MOSFET cu canal N, sursa este conectată la masă, drena la sarcină, iar FET-ul va porni atunci când se aplică o tensiune pozitivă la poartă. MOSFET-urile cu canal N sunt mai ușor de lucrat și sunt tipul cel mai frecvent utilizat. Ele sunt, de asemenea, mai ușor de fabricat și, prin urmare, sunt disponibile la prețuri mai mici cu performanțe mai mari decât MOSFET-urile cu canal p.
Într-un MOSFET cu canal P, sursa este conectată la o tensiune pozitivă, iar FET-ul se va activa atunci când tensiunea de pe poartă este mai mică decât tensiunea de pe sursă cu o anumită valoare (Vgs < 0). Acest lucru înseamnă că, dacă doriți să folosiți un mosfet cu canal P pentru a comuta tensiuni mai mari de 5 V, veți avea nevoie de un alt tranzistor (de un anumit fel) pentru a-l porni și opri.
Selecția MOSFET-urilor
Gate-to-Source voltage (Vgs) Una dintre cele mai importante specificații este tensiunea necesară pentru a porni complet FET-ul. Aceasta nu este tensiunea de prag – aceasta este tensiunea la care începe să se aprindă pentru prima dată. Deoarece Espruino poate emite doar 3,3v, pentru cea mai simplă conexiune, avem nevoie de o piesă care să ofere performanțe bune cu o comandă de poartă de 3,3v. Din păcate, nu există multe MOSFET-uri disponibile în pachete convenabile cu găuri care să funcționeze cu o comandă de poartă de 3,3v. IRF3708PBF este o alegere bună în capsula mare TO-220 – capacitatea sa de tratare a curentului este suficientă pentru aproape orice scop, chiar și la 3,3v pe poartă. Pentru un curent mai mic, 5LN01SP-AC de la On Semiconductor este o opțiune; acesta vine într-un pachet TO-92 și poate gestiona până la 100mA.
În fișa tehnică a unui MOSFET, de obicei va fi inclus un grafic care prezintă proprietățile stării de funcționare la diferite tensiuni de poartă. Specificația cheie aici va fi dată de obicei sub forma unui grafic al curentului de drenaj (Id) în funcție de tensiunea drenaj-sursă (Vds – aceasta este căderea de tensiune pe MOSFET), cu mai multe linii pentru diferite tensiuni de poartă. Pentru exemplul IRF3708PBF, acest grafic este figura 1. Observați cum, la un Id de 10 amperi, căderea de tensiune (Vds) este abia peste 0,1v cu o comandă de poartă de 3,3v, și abia se pot distinge liniile pentru tensiuni de 3,3v și mai mari.
Există o varietate foarte mare de MOSFET-uri de joasă tensiune disponibile în pachete de montare pe suprafață, cu specificații excelente, adesea la prețuri foarte mici. Populara capsulă SOT-23 poate fi lipită pe zona de prototipare SMD a Espruino, așa cum se arată în imaginile de mai jos, sau poate fi folosită cu una dintre numeroasele plăci breakout cu costuri reduse disponibile pe eBay și la mulți vânzători de hobby-uri electronice.
Continuous Current Asigurați-vă că valoarea nominală a curentului continuu al piesei este suficientă pentru sarcină – multe piese au atât o valoare nominală a curentului de vârf, cât și a curentului continuu și, în mod natural, prima este adesea specificația de căpătâi.
Drain-Source Voltage (Vds) Aceasta este tensiunea maximă pe care MOSFET-ul o poate comuta.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Aceasta este tensiunea maximă care poate fi aplicată pe poartă. Acest lucru este deosebit de relevant în cazul unui MOSFET cu canal p care comută o tensiune destul de mare, atunci când trageți tensiunea în jos cu un alt tranzistor sau FET pentru a-l porni.
Pinoutări
Acestea arată pinoutările MOSFET-urilor tipice TO-220 și SOT-23. Cu toate acestea, consultați ÎNTOTDEAUNA fișa tehnică înainte de a conecta ceva, în cazul în care vă treziți că utilizați o piesă mai ciudată.
Conectare
N-Channel:
Un Espruino fiind folosit pentru a comuta o sarcină de 100W folosind un IRF3708. Observați rezistența de 10k între poartă și sursă. Sarcina este o matrice de LED-uri de 100W de 660nm, care trage ~3,8A (conform specificațiilor) la 22v (mai degrabă 85W) – este în afara imaginii (este destul de luminos).
Aceasta arată două MOSFET-uri cu canal N pe zona de prototipare cu montare pe suprafață pe un Espruino, unul în SOT-23 (dreapta) și celălalt în SOIC-8 (stânga). Rețineți că urmele dintre plăcuțele SMD și pinii de pe Espruino sunt destul de subțiri, astfel încât acest lucru nu ar trebui să fie utilizat pentru curenți mult peste un amperaj.
P-Channel:
Aceasta arată un MOSFET cu canal N care este folosit pentru a porni un MOSFET cu canal P – această configurație este utilă atunci când trebuie să comutați partea înaltă a unui circuit alimentat de ceva mai mult de 5 volți – acest exemplu presupune că VBat-ul lui Espruino este sursa de alimentare.
Schematici
Aceste scheme arată câteva configurații comune pentru MOSFET-uri, așa cum ar fi folosite cu Espruino. Valorile exacte ale rezistențelor nu sunt esențiale; o rezistență de valoare mai mare va funcționa bine (și poate fi de dorit în cazul în care utilizarea energiei este o preocupare deosebită). După cum se poate vedea mai jos, utilizarea unui MOSFET cu canal P pentru a comuta tensiuni mai mari de 5v implică un circuit mai complicat. Acest lucru nu se întâmplă în cazul utilizării unui MOSFET cu canal N pentru a comuta tensiuni înalte; deoarece sursa este împământată, poarta nu trebuie să urce până la tensiunea care este comutată, așa cum se întâmplă în cazul unui MOSFET cu canal P, unde sursa este tensiunea pozitivă.
MOSFET-uri vs. relee
- MOSFET-urile nu consumă practic deloc energie, în timp ce releele utilizează o cantitate semnificativă de energie atunci când sunt pornite.
- MOSFET-urile pot fi comandate cu PWM. Releele nu pot.
- MOSFET-urile necesită o masă comună (sau alimentare pentru canalul p), în timp ce releele izolează complet circuitul care este comandat.
- MOSFET-urile pot comuta numai sarcini de curent continuu, în timp ce releele, fiind izolate, pot comuta și curent alternativ.
MOSFET-uri vs. tranzistoare bipolare de joncțiune
- MOSFET-urile sunt controlate de tensiune, nu de curent. Există un curent de poartă neglijabil, în timp ce un BJT are un curent de bază deloc neglijabil.
- MOSFET-urile au adesea o cădere de tensiune mai mică în starea lor de funcționare.
- MOSFET-urile se vor porni singure dacă poarta este lăsată să plutească, BJT-urile au nevoie de curent pentru a curge, așa că nu o vor face.
- MOSFET-urile sunt adesea mai scumpe și au fost, din punct de vedere istoric, mai vulnerabile la deteriorări statice.
Modul de îmbunătățire vs. modul de epuizare
Majoritatea MOSFET-urilor utilizate sunt așa-numitele dispozitive cu mod de îmbunătățire, iar scrierea de mai sus a presupus utilizarea unui MOSFET cu mod de îmbunătățire. Din nou, într-un MOSFET cu mod de îmbunătățire, atunci când poarta se află la aceeași tensiune ca și sursa (Vgs=0), MOSFET-ul nu conduce.
Într-un MOSFET cu mod de epuizare, atunci când Vgs = 0, MOSFET-ul este pornit și trebuie aplicată o tensiune la poartă pentru a opri conducția. Tensiunea furnizată este opusă celei care ar porni un MOSFET în mod de îmbunătățire – astfel, pentru un MOSFET în mod de îmbunătățire cu canal N, trebuie aplicată o tensiune negativă pentru a-l opri.
Cumpărare
- Digikey
- Mouser
- eBay (numai piese comune)
.