FET: Esfuerzos divertidos juntos

La última vez, revisamos los conceptos básicos, detalles, matices y advertencias de FET. Sin embargo, los conceptos básicos no son todo lo que hay en los FET: ¡veamos los usos del mundo real, en toda su maravillosa variedad! Quiero mostrarles un montón de circuitos geniales donde un FET amigable, específicamente un MOSFET, puede ayudarlos y, en el camino, también me gustaría presentarles algunos FET que creo que todos ustedes podrían tener. buena amistad a largo plazo con. Si aún no los conoces, eso es!

Quizás, ese es el uso más popular para un transistor NPN: bobinas de conducción, como relés o solenoides. Estamos bastante acostumbrados a manejar relés con BJT, generalmente un NPN, pero no tiene que ser un BJT, ¡los FET a menudo harán el trabajo igual de bien! Aquí hay un N-FET, utilizado exactamente en la misma configuración que un BJT típico, excepto que en lugar de una resistencia limitadora de corriente base, tenemos una resistencia de fuente de puerta: no puede soldar el BJT y soldar el FET después ha diseñado la placa, pero de lo contrario es un reemplazo bastante sencillo. El diodo de rueda libre (protección contra EMF) aún se necesita para cuando cambia el relé y la bobina produce voltajes extraños en protesta, pero bueno, no todos los aspectos pueden ser superiores.

La razón por la que puede manejarlo de la misma manera es bastante simple: en el circuito NPN habitual, el relé es manejado por un GPIO de nivel lógico de 3.3 V o 5 V, y para FET de señal pequeña, eso está bien dentro de Vgs. Sin embargo, si su MCU tiene GPIO de 1,8 V y los Vg de su FET no son suficientes, un transistor NPN es una solución más ventajosa, ya que funcionará siempre que pueda obtener la poca corriente y los míseros 0,7 V necesarios. .

Y aquí están nuestros dos primeros transistores amigables, 2N7002 y BSS138: ambos son N-FET de pequeña señal, aptos exactamente para este tipo de trabajo. El 2N7002 es una pieza bastante clásica: lo verá mucho en cualquier lugar donde pueda caber un N-FET. El BSS138 es muy similar, con un rango de Rds un poco más alto, pero un rango de Vgs un poco más bajo; lo verá en algunos esquemas de Sparkfun o Adafruit. Puede comprar con seguridad un montón de cualquiera de estos y usarlos en sus circuitos siempre que necesite un N-FET pequeño que pueda manejar con un GPIO.

Por supuesto, hay más en los FET de nivel lógico pequeño; por ejemplo, si alguna vez necesitó cambiar de nivel algunas señales de un lado a otro, es posible que haya usado esos pequeños tableros de 'cambio de nivel' con cuatro partes SOT23 en ellos. Esas partes SOT23 son en realidad FET, y nuestra [Jenny List] ha cubierto este tipo de palanca de cambios en su extenso artículo sobre cambios de nivel. Este método también es económico, simple y funcionará con la gran mayoría de las señales que deseará cambiar de nivel; ¡razones de más para abastecerse de N-FET de señal pequeña!

¡Aquí está el circuito siempre tan maravilloso que le permite hacer una protección de polaridad inversa sin pérdidas con un FET! Puede usar cualquier tipo de FET; a menudo, se usa un P-FET para esto, ya que tener un terreno común ininterrumpido tiene sus beneficios, pero un N-FET también funcionará. Esta forma de protección de polaridad inversa es mucho, mucho mejor que usar un diodo en serie, porque no desperdicias tanta energía: con 1-2 A de consumo de energía, un diodo puede hacer que desperdicies más de 1 W de energía en calor.

Si Vgs no es más alto que su entrada de energía esperada, todo lo que necesita hacer es conectar la puerta de un P-FET al pin negativo, conectar la entrada de energía al pin positivo y hacer que el pin de drenaje sea la salida. De lo contrario, si su voltaje de entrada puede exceder los umbrales de Vgs o Vgs inversos, querrá agregar un diodo zener y una resistencia para sujetar el voltaje. Este tipo de protección de polaridad inversa es barato, sin pérdidas y puede salvar absolutamente sus componentes de una muerte por fuego.

Por supuesto, a menos que su circuito sea de muy baja potencia, querrá ir más allá de los FET de pequeña señal. ¿Qué pasa con la entrada de potencia para una placa de desarrollo en la que está trabajando? Tal vez, incluso podría usar el mismo tipo de FET que usaría para periféricos de conmutación de lado alto. Echemos un vistazo a los FET más potentes, específicamente, algunos P-FET pequeños pero buenos que pueden manejar corrientes más altas sin sudar.

Hay bastantes FET pequeños pero potentes con un rango máximo de Vgs de 12 V a 24 V e Id máximos alrededor de 2A-4A, que se adaptan a una gran cantidad de ocasiones. Algunos de ellos cuentan con una entrada de nivel lógico, lo que generalmente significa Rds razonables en Vgs considerablemente más bajos que el nivel alto lógico de 3,3 V, es decir, 1,8 V, si alguna vez necesita cambiar la alimentación a un módulo WiFi de 3,3 V y desea hacerlo con un GPIO, tal FET se ajustará a la factura. Otros no se marcan a sí mismos como de nivel lógico, pero tienen Rds razonables a Vgs bajos.

De mis P-FET de corriente más alta para todo uso favoritos, comencé con IRLML6401 e IRLML6402, y ahora uso sus contrapartes orientales, CJ2305 y HX2301A, simplemente porque son más baratos en LCSC. Cuando se trata de N-FET de calibre similar, IRLML2502 es excelente, y AO3400A ha sido un clásico de los dispositivos fabricados en el Este durante años. ¿Buscando por mas? Consulte esta entrega de Ask Hackaday, donde los piratas informáticos nos dieron sugerencias sobre exactamente este tipo de FET.

Todos hemos visto un circuito de dos diodos, lo que le permite alimentar un circuito desde una entrada de alimentación de CC o una batería con conmutación continua. Sin embargo, hay un problema: mientras usa la batería, tener un diodo en serie hará que pierda una parte decente del voltaje de salida, y eso es especialmente notable cuando alimenta un circuito de 3.3V desde una batería LiIon con su voltaje de 4.2V-3V rango. Este circuito quita la carga de la batería mientras se está cargando, alimentando la carga con 5V en su lugar. Si bien tener la carga conectada permanentemente a la batería en paralelo parece que podría funcionar, no desea interferir con el ciclo CC/CV del cargador.

He mencionado este en el artículo de circuitos de LiIon, pero tiene un punto culminante una vez más: es un circuito genial para tener. Por supuesto, querrá un FET que se ajuste a sus necesidades, y los P-FET de nivel lógico encajan maravillosamente en este circuito. Ah, y dimensionar la resistencia correctamente puede ayudar con los problemas: puede elegir con seguridad algo como 10 kΩ o incluso 47 kΩ, pero si su circuito se cae al desconectar el cargador, puede reducirlo hasta 1 kΩ; Después de todo, una puerta FET no necesita tanta corriente para mantenerse cargada.

Tenga en cuenta que, en comparación con la disposición habitual de conmutación del lado alto, este circuito gira el FET, intercambiando el drenaje y la fuente para que los 5 V no se alimenten a la batería a través del diodo del cuerpo. Sin embargo, funcionará, específicamente porque el diodo del cuerpo genera voltaje en el pin de la fuente, pero tenga en cuenta que el umbral de Vgs debe calcularse restando la caída del diodo del cuerpo del voltaje de batería más bajo posible; de ​​lo contrario, el FET podría no abrirse.

A veces, cuando cambia la alimentación a un periférico como un módem GSM en su propia placa de conexión, con algunos condensadores pesados ​​en su riel de alimentación, consumirá una gran cantidad de corriente y bajará el voltaje; es probable que su microcontrolador se apague y se reinicie. . Con un solo capacitor entre la compuerta y el drenaje, puede agregar un arranque suave primitivo a su circuito basado en P-FET de conmutación de lado alto, haciendo que el FET pase más tiempo en su región lineal mientras se enciende, precargando los condensadores antes de que se abra por completo y suavizar el pico de consumo de energía. Este es un truco, pero resuelve el problema, y ​​es algo que incluso puedes modificar en la posproducción.

¿Le gustaría saber más? Aquí hay una nota de aplicación maravillosa de onsemi, que habla sobre los conceptos básicos de la conmutación de carga con FET, con ejemplos prácticos y las matemáticas detrás de ella, así como casos en los que es posible que desee usar un interruptor de carga en su lugar. Ah, y ¿cuáles serían esos, por cierto?

Es difícil igualar qué tan bien integrados pueden estar los circuitos integrados: un solo chip puede resolver todos sus problemas de una manera en que una solución de componentes discretos nunca podría ser capaz de hacerlo. Por ejemplo, supongamos que desea cambiar una carga de 5 V/1,5 A, pero también se beneficiaría bastante de la protección contra sobrecorriente. Con una solución de conmutación de carga basada en FET de construcción propia, deberá agregar una resistencia de medición de corriente y un opamp o un comparador, como mínimo. Por otro lado, un interruptor de carga como un SY6280 tiene todas las características que podría tener al construir su propio interruptor de lado alto con FET, un límite de corriente fácilmente configurable con una sola resistencia e incluso una resistencia de descarga de salida opcional en caso su dispositivo podría beneficiarse de no tener voltaje residual después de apagarlo.

En general, hay una gran variedad de interruptores de carga diseñados para hacer que sus circuitos sean menos complejos y más capaces, y no son mucho más costosos que tener un FET adicional. Todos tienen FET dentro de ellos, pero por regla general son controlables por GPIO; ya no es necesario preocuparse por la capacitancia de la puerta o Vgs. Algunos de ellos te permiten hacer un arranque suave, mientras que otros no; algunos de ellos tienen limitación de corriente y otros no, algunos tienen protección de flujo de corriente inversa y otros no, pero sea cual sea la aplicación que tenga en mente, podrá encontrar un interruptor de carga siempre que su circuito basado en FET comienza a volverse demasiado complejo para sus necesidades.

Por supuesto, a veces necesitará un FET muy específico, algún caso de uso para el que no tenga un candidato familiar. En ese momento, tendrá que referirse a un selector de partes, y puede sentirse un poco intimidante hacerlo, ya que hay bastantes parámetros. Para empezar, elija FET SMD para la mayoría de los casos de uso mencionados anteriormente: los FET de orificio pasante son bastante raros para algo como "20V Vds max, 3A Ids max", y los FET SMD en sus paquetes típicos son bastante soldables. En otras palabras, no necesita mirar las partes THT cuando tiene que ir a mayor potencia.

Para las mismas características, los N-FET serán un poco más baratos que los P-FET, tendrán Rds ligeramente más bajos y es posible que estén más fácilmente disponibles. Esto no es algo que generalmente tiene la libertad de elegir entre tweets, pero en el momento en que tiene control sobre el circuito, tal vez sea una buena idea optar por un N-FET para sus tareas de conmutación de alta potencia. Una vez que haya elegido su tipo de FET, limite por esa categoría y quizás limite también por la cantidad de canales: uno o dos son una opción decente, pero en general tiene sentido tener uno de un solo canal a menos que esté usando muchos FET similares en tu circuito.

Con los parámetros principales, los más cruciales son Vds e Id, por lo que puede comenzar limitando su elección por estos; haga una sobreespecificación saludable en su voltaje máximo esperado, realmente no quiere permanecer cerca de los valores máximos esperados durante el uso en el mundo real, por lo que tener al menos un 20% de margen de maniobra, o incluso mucho más para cargas inductivas, es un buena idea. Sin embargo, ir demasiado arriba en cualquiera de estas partes puede llevarlo a partes con Vgs irrazonablemente grandes necesarios, por lo que no hay necesidad de ir demasiado lejos. En otras palabras, necesitará al menos un FET de 30 V/3 A para cambiar una tira de LED de 24 V/2 A, mientras que un FET de 45 V/5 A será demasiado alto.

Después de limitar el rango de Vds e Ids, puede terminar filtrando cualquier tipo de paquete que no desee soldar a mano; específicamente para SMD, limitarse a SOT y SO es una buena idea si no tiene un pistola de aire caliente. En este punto, debería tener una cantidad decentemente pequeña de FET: este es un momento en el que puede filtrar los pocos umbrales de Vgs y los valores atípicos de Rds que quedan, luego ordenar por precio y ver cuáles son las opciones de gama baja disponibles para usted. Encuentre algunos en los que Vgs se vea satisfactorio a nivel superficial, luego vaya a la hoja de datos y verifique los gráficos. En los Vgs que puede proporcionar, ¿los Rds parecen razonables?

Hay muchas más recetas para el uso de FET en sus circuitos que estas. Verá controladores PWM, controladores de motor, cargas electrónicas, circuitos de protección, un FET podría tener un lugar bien merecido en su tablero, y es maravilloso si se siente cómodo usándolos. La próxima vez que busque manejar un poco de potencia, o mucha potencia, un FET amigable podría ser la mejor ayuda que pueda obtener.