En MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) är en halvledarkomponent som kan användas som en solid state switch. Dessa är användbara för att styra belastningar som drar mer ström eller kräver högre spänning än vad en GPIO-stift kan leverera. I avstängt tillstånd är MOSFET:er icke-ledande, medan de i påslaget tillstånd har ett extremt lågt motstånd – ofta mätt i milliohm. MOSFETs kan endast användas för att koppla om likströmsbelastningar.
MOSFETs har tre stift, Source, Drain och Gate. Källan är ansluten till jord (eller den positiva spänningen, i en p-kanalig MOSFET), dräneringen är ansluten till belastningen och grinden är ansluten till en GPIO-stift på Espruino. Spänningen på grinden avgör om ström kan flöda från dräneringen till belastningen – ingen ström flödar till eller från grinden (till skillnad från en bipolär junctiontransistor) – detta innebär att om grinden tillåts flyta kan FET:n tändas eller stängas av som svar på omgivande elektriska fält eller mycket små strömmar. Som demonstration kan man koppla upp en MOSFET på normalt sätt, förutom att man inte ansluter något till grindstiftet, och sedan röra vid grinden samtidigt som man håller antingen jord eller en positiv spänning – till och med genom kroppens motstånd kan man sätta på och stänga av FET:n! För att se till att en MOSFET förblir avstängd även om stiftets kontakt inte är ansluten (t.ex. efter att Espruino har återställts) kan ett pull-down-motstånd placeras mellan grind och källa.
MOSFET:er kopplar bara om strömmen flödar i en riktning; de har en diod mellan källa och dränering i den andra riktningen (med andra ord, om dräneringen (på en N-kanalsenhet) sjunker under spänningen på källan, kommer strömmen att flöda från källan till dräneringen). Denna diod, ”kroppsdioden”, är en följd av tillverkningsprocessen. Den får inte förväxlas med den diod som ibland placeras mellan drain och belastningens strömförsörjning – den är separat och bör inkluderas när man driver en induktiv belastning.
Med undantag för vad som anges i detta avsnitt förutsätts användning av en N-kanalig MOSFET med förstärkningsläge.
N-kanal vs P-kanal
I en N-kanalig MOSFET är källan ansluten till jord, dräneringen till lasten och FET:n slår på när en positiv spänning läggs på grinden. N-kanaliga MOSFET:er är lättare att arbeta med och är den vanligaste typen. De är också lättare att tillverka och kan därför fås till lägre priser med högre prestanda än p-kanaliga MOSFETs.
I en P-kanalig MOSFET är källan ansluten till en positiv spänning och FET:n tänds när spänningen på grinden är lägre än källspänningen med ett visst belopp (Vgs < 0). Detta innebär att om du vill använda en P-kanalsmosfet för att växla spänningar som är högre än 5 V, behöver du en annan transistor (av något slag) för att slå på och av den.
Väljning av MOSFETs
Gate-to-Source voltage (Vgs) En av de viktigaste specifikationerna är den spänning som krävs för att slå på FET:n helt och hållet. Detta är inte tröskelspänningen – det är den spänning vid vilken den först börjar slå på. Eftersom Espruino bara kan ge ut 3,3 v behöver vi för den enklaste anslutningen en del som ger bra prestanda med en grindstyrning på 3,3 v. Tyvärr finns det inte många MOSFETs tillgängliga i bekväma genomgående hålförpackningar som fungerar med en 3,3v grindstyrning. IRF3708PBF är ett bra val i det stora TO-220-paketet – dess strömhanteringskapacitet är tillräcklig för nästan alla ändamål, även vid 3,3 v på grinden. För lägre ström är 5LN01SP-AC från On Semiconductor ett alternativ; den kommer i ett TO-92-paket och kan hantera upp till 100 mA.
I databladet för en MOSFET ingår vanligtvis ett diagram som visar egenskaperna vid on-state vid olika grindspänningar. Den viktigaste specifikationen här kommer vanligtvis att ges som en graf av dräneringsströmmen (Id) mot dräneringskällespänningen (Vds – detta är spänningsfallet över MOSFET:n), med flera linjer för olika grindspänningar. För exemplet IRF3708PBF är denna graf figur 1. Lägg märke till hur spänningsfallet (Vds) vid en Id på 10 ampere knappt överstiger 0,1v med en grindstyrning på 3,3v, och man kan knappt skilja linjerna för 3,3v och högre spänningar åt.
Det finns ett mycket brett utbud av lågspännings-MOSFETs tillgängliga i ytmonterade paket med utmärkta specifikationer, ofta till mycket låga priser. Det populära SOT-23-paketet kan lödas på Espruinos SMD-prototypområde som visas på bilderna nedan, eller användas med ett av de många billiga breakoutkort som finns på eBay och hos många elektronikhobbyns försäljare.
Continuous Current Se till att komponentens kontinuerliga strömmätning räcker till för belastningen – många komponenter har både en toppströms- och en kontinuerlig strömmätning, och naturligtvis är den förstnämnda ofta den överordnade specifikationen.
Drain-Source Voltage (Vds) Detta är den maximala spänning som MOSFET:n kan koppla.
Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Detta är den maximala spänning som kan appliceras på grinden. Detta är särskilt relevant i fallet med en p-kanalig MOSFET som växlar en ganska hög spänning, när du drar ner spänningen med en annan transistor eller FET för att slå på den.
Pinouts
Dessa visar pinout för typiska TO-220- och SOT-23-MOSFET:er. Men konsultera ALLTID databladet innan du ansluter något, om du skulle upptäcka att du använder en konstig del.
Koppling
N-kanal:
En Espruino som används för att koppla om en 100 W belastning med hjälp av en IRF3708. Observera motståndet på 10k mellan grind och källa. Lasten är en 100W 660nm LED-array, som drar ~3,8A (enligt specifikationerna) vid 22v (snarare 85W) – den är utanför bilden (den är ganska ljus).
Detta visar två N-kanals MOSFETs på prototypområdet för ytmontering på en Espruino, en i SOT-23 (höger) och den andra i SOIC-8 (vänster). Observera att spåren mellan SMD-pads och stiften på Espruino är ganska tunna, så detta bör inte användas för strömmar mycket över en ampere.
P-kanal:
Detta visar en N-kanalig MOSFET som används för att slå på en P-kanalig MOSFET – denna konfiguration är användbar när du behöver växla den höga sidan av en krets som drivs av något över 5 volt – detta exempel förutsätter att Espruinos VBat är strömkällan.
Schematics
Dessa scheman visar några vanliga konfigurationer för MOSFETs som de skulle användas med Espruino. De exakta värdena på motstånden är inte viktiga; ett motstånd med högre värde kommer att fungera bra (och kan vara önskvärt när strömförbrukningen är av särskilt intresse). Som framgår nedan innebär användningen av en P-kanalig MOSFET för att växla spänningar över 5 V en mer komplicerad krets. Detta är inte fallet när man använder en N-kanalig MOSFET för att växla höga spänningar; eftersom källan är jordad behöver inte grinden gå upp till den spänning som ska växlas, vilket den gör på en P-kanalig MOSFET, där källan är den positiva spänningen.
MOSFETs vs reläer
- MOSFETs förbrukar i princip ingen ström, medan reläer förbrukar en betydande mängd ström när de är påslagna.
- MOSFETs kan drivas med PWM. Det kan inte reläer.
- MOSFETs kräver en gemensam jord (eller försörjning för p-kanalen), medan reläer helt isolerar den krets som ska drivas.
- MOSFETs kan endast koppla om likströmsbelastningar, medan reläer, som är isolerade, även kan koppla om växelström.
MOSFETs vs bipolära junktionstransistorer
- MOSFETs styrs av spänning, inte av ström. Det finns en försumbar grindström, medan en BJT har en icke försumbar basström.
- MOSFETs har ofta ett lägre spänningsfall i påslaget tillstånd.
- MOSFETs slår på sig själva om grinden tillåts flyta, BJTs kräver ström för att flöda, så det gör de inte.
- MOSFETs är ofta dyrare, och var historiskt sett mer sårbara för statiska skador.
Förbättrings- respektive utarmningsläge
Majoriteten av de MOSFET:er som används är så kallade förstärkningslägen, och i ovanstående beskrivning har man utgått från att en MOSFET med förstärkningsläge används. När grinden har samma spänning som källan (Vgs=0) leder inte MOSFET:n i en MOSFET i förstärkningsläge när grinden har samma spänning som källan (Vgs=0).
I en MOSFET i utarmningsläge är MOSFET:n påslagen när Vgs = 0, och en spänning måste läggas på grinden för att stoppa ledningen. Den tillförda spänningen är motsatsen till vad som skulle slå på en MOSFET i förstärkningsläge – så för en N-kanals MOSFET i förstärkningsläge måste en negativ spänning tillföras för att stänga av den.
Köp
- Digikey
- Mouser
- eBay (endast vanliga delar)