Apakah aman mengendarai MOSFET dari pin output mikrokontroler?

25

Saya telah menggunakan BJT yang tersedia secara umum seperti 2N2222 dan 2N3904 sebagai switch dengan mengoperasikannya dalam "mode saturasi" dari MCU saya. Namun saya percaya bahwa untuk aplikasi semacam ini, MOSFET adalah perangkat yang lebih tepat. Saya punya beberapa pertanyaan.

1) Apakah MOSFET memiliki "mode saturasi" seperti yang dilakukan BJT? Apakah "saturasi" ini dicapai hanya dengan memberikan tegangan yang cukup tinggi pada dasar sehingga MOSFET benar-benar "aktif"?

2) Apakah aman mengendarai MOSFET langsung dari MCU? Saya mengerti bahwa gerbang MOSFET berperilaku seperti kapasitor, dan karena itu menarik beberapa arus saat "mengisi", dan kemudian tidak ada yang sesudahnya. Apakah pengisian arus ini cukup tinggi untuk merusak pin MCU? Dengan menempatkan resistor secara seri dengan gerbang, saya dapat melindungi pin, tetapi ini akan memperlambat sakelar, mungkin mengakibatkan pembuangan panas yang tinggi oleh MOSFET?

3) MOSFET "hobi" apa yang cocok untuk berbagai situasi berdaya rendah? IE, apa yang setara dengan MOSFET dengan 2N2222 atau 2N3904?

microcontroller mosfet Menandai
sumber
1
"Lebih tepat" terdengar konyol bagiku. Biasanya BJT lebih murah, jadi saya akan menggunakan FET hanya jika BJT tidak akan melakukannya.
starblue
11
Secara umum saya telah melakukan yang sebaliknya: gunakan MOSFET kecuali saya butuh BJT. Keduanya murah. Kekuatan yang terbuang oleh R_DSON MOSFET biasanya lebih kecil dari V_CESAT BJT. Anda hanya membayar daya untuk mengganti MOSFET, bukan untuk mempertahankannya, yang mengurangi disipasi daya pada transistor dan bagian yang menggerakkannya, terutama jika pergantian jarang terjadi. MOSFET biasanya pergi jauh ke rel karena tidak ada V_CESAT. Kelemahannya adalah MOSFET tidak menarik jumlah arus konstan di seluruh tepi, karena terlihat seperti resistor; ini memperlambat perpindahan beban kapasitif.
Mike DeSimone

Jawaban:

14

Banyak MOSFET daya membutuhkan tegangan gerbang tinggi untuk beban arus tinggi, untuk memastikan bahwa mereka sepenuhnya dihidupkan. Ada beberapa dengan input level logika. Lembar data dapat menyesatkan, mereka sering memberikan tegangan gerbang untuk 250 mA saat ini di halaman depan, dan Anda menemukan bahwa mereka membutuhkan 12V untuk 5A, katakanlah.

Merupakan ide yang bagus untuk meletakkan resistor ke ground di gerbang jika MOSFET digerakkan oleh output MCU. Pin MCU biasanya input pada reset, dan ini dapat menyebabkan gerbang melayang sebentar, mungkin menyalakan perangkat, sampai program mulai berjalan. Anda tidak akan merusak output MCU dengan menghubungkannya langsung ke gerbang MOSFET.

BS170 dan 2N7000 kira-kira setara dengan BJT yang Anda sebutkan. Zetex ZVN4206ASTZ memiliki arus drain maksimum 600 mA. Saya tidak berpikir bahwa Anda akan menemukan MOSFET kecil yang dapat didorong dari 3.3V.

Leon Heller
sumber
2N7000 memiliki arus maksimum 200mA, di mana 2N2222 memiliki arus maksimum ~ 600mA. apakah ada sesuatu di lingkungan itu yang mudah dikendarai dengan MCU 3.3V?
Tandai
1
@Mark Barely. Ini seperti baru saja melewati tegangan ambang pada BJT. Sayangnya dengan MOSFET Anda tidak memiliki karakteristik eksponensial.
jpc
1
Saya telah mengendarai paket SC-70 MOSFET dengan 1,8 V di tempat kerja selama bertahun-tahun. Parameter pertama yang diperiksa adalah V_GS (th), seperti yang dicatat oleh Mark. Ini kira-kira setara dengan V_IH untuk input CMOS jika n-channel, atau V_IL untuk p-channel. Dengan kata lain, melewati nilai itu. Mencari setara 2222, menemukan AO3422 (Digi-Key 785-1015-1-ND). 55V, 2.1A, SOT-23, V_GS (th) dari 2.0 V max, 1.3 V typ, r_DSON dari 130 mOhms pada 3.3 V. Biaya sama dengan P2N2222AG. Untuk beban 500 mA, 2222 memiliki V_CESAT = 1.0 V (500 mW didipasi), dan AO3422 memiliki V_DS = 0,065 V (32,5 mW didipasi). FET menjadi dingin.
Mike DeSimone
3
Hal yang perlu diingat ketika berbelanja untuk MOSFET bukan tidak membatasi V_DS atau I_D sebelum waktunya ketika mencari! Angka-angka ini jauh lebih tinggi untuk FET daripada yang biasa Anda lihat untuk BJT yang diberi beban tertentu. Perhatikan bagaimana AO3422 (V_DS = 55 V, I_D = 2.1 A) jauh lebih tinggi daripada spesifikasi untuk 2N2222 yang serupa (V_CE = 50 V, I_C = 0,8 A); ini karena efisiensi! Alasan Anda tidak melihat "tipikal MOSFET" seperti yang Anda lakukan untuk BJT atau dioda (1N4148 dll.) Adalah bahwa MOSFET datang kemudian, ketika ada lebih banyak perusahaan yang membuatnya, dan ada lebih sedikit motif untuk menyalin bagian standar pesaing. .
Mike DeSimone
2
@MikeDeSimone: "Parameter pertama yang diperiksa adalah V_GS (th), seperti yang dicatat Mark. Ini kira-kira setara dengan V_IH untuk input CMOS jika n-channel, atau V_IL untuk saluran-p. Dengan kata lain, drive melewati nilai itu. " Tidak tidak Tidak. Semua V_GS (th) berarti Anda dapat melewati arus yang ditentukan. MOSFET tidak dianggap "aktif" sampai perangkat memiliki perilaku resistif sepenuhnya terhadap rentang arus yang ditentukan. Ini membutuhkan tegangan lebih tinggi dari V_GS (th), dan biasanya tidak ditentukan sampai spesifikasi Rdson yang dijamin, di suatu tempat dalam kisaran 4,5V-10V (kadang-kadang pada tegangan lebih rendah).
Jason S
11

Aman - secara umum - dan itu akan berfungsi jika Anda memilih "level logika" MOSFET. Perhatikan bahwa "tingkat logika" tampaknya tidak menjadi jangka persis standar, dan itu tidak akan selalu muncul sebagai parameter dalam pencarian parametrik di situs penjual, dan tidak akan selalu muncul di lembar data. Namun, Anda akan menemukan bahwa MOSFET tingkat logika sering memiliki "L" di nomor bagian, mis: IR540 (tingkat non logika) vs. IRL540 (tingkat logika). Yang penting adalah melihat di lembar data dan memeriksa nilai VGS (ambang batas) dan melihat grafik yang menunjukkan aliran saat ini vs VGS. Jika VGS (ambang batas) seperti 1.8V atau 2.1V atau lebih, dan "lutut kurva" pada grafik berada di sekitar 5 volt, Anda pada dasarnya memiliki MOSFET tingkat logika.

Untuk contoh seperti apa spesifikasi MOSFET tingkat logika, lihat lembar data ini:

http://www.futurlec.com/Transistors/IRL540N.shtml

Gambar 3 adalah grafik yang saya maksud.

Semua itu mengatakan, saya melihat bahwa banyak orang masih merekomendasikan menggunakan opto-isolator antara mikrokontroler dan MOSFET, hanya agar lebih aman.

mindcrime
sumber
7

Re: saturation: yes, tapi ini membingungkan tidak disebut saturation (yang sebenarnya sesuai dengan wilayah linier dalam transistor bipolar). Sebagai gantinya, lihat lembar data dan Rdson yang diberi nilai on-resistance, yang ditentukan pada tegangan sumber gerbang tertentu untuk setiap bagian. MOSFET biasanya ditentukan pada satu atau lebih dari yang berikut: 10V, 4.5V, 3.3V, 2.5V.

Saya akan meletakkan dua resistor ke sirkuit: satu dari gerbang ke tanah, seperti yang telah disebutkan Leon (sebenarnya saya akan meletakkannya dari output MCU ke ground), dan satu lagi antara output MCU dan gerbang, untuk melindungi MCU di huruf MOSFET memiliki kesalahan.

Diskusi lebih lanjut tentang entri blog ini .

Adapun apa yang digunakan MOSFET, sebenarnya tidak ada paralel dengan 2N3904 / 2N2222.

2N7000 mungkin FET paling umum & termurah di luar sana. Untuk FET ubur-ubur lainnya, saya akan melihat Fairchild FDV301N, FDV302P, FDV303N, FDV304P.

Untuk langkah selanjutnya (level daya lebih tinggi), saya akan melihat IRF510 (100V), atau IRFZ14 (60V), keduanya dalam TO-220, meskipun ini adalah FET dasar yang ditentukan pada sumber-gerbang 10V. FET tingkat logika (IRL510, IRLZ14) memiliki Rdson yang ditentukan pada sumber gerbang 4.5V.

Jason S
sumber
7
Resistor dari pin MCU ke gerbang juga digunakan untuk memperlambat tepi switching, untuk mengurangi dering, overshoot, dan EMI. 10 ohm adalah nilai tipikal.
Mike DeSimone
0

Dalam menjawab pertanyaan 3, saya menemukan FQP30N06L Fairchild sangat ideal untuk mengendarai perangkat daya tinggi dari MCU pada tingkat logika. Ini tidak murah (0,84 GPB) tetapi bagus untuk n00bs malas seperti saya. Saya menggunakannya untuk memasok strip lampu LED 12V RGB.

Beberapa statistik:

Vdss Drain-Source Voltage: 60 V
Id Drain Current: Continuous (TC = 25°C) 32 A
                  Continuous (TC = 100°C) 22.6 A
Vgss Gate-Source Voltage: ± 20 V
Vgs(th) Gate Threshold Voltage: 1.0--2.5 V

Oleh karena itu, Raspberry Pi 3.3V berada di atas 2.5V Gate Threshold atas, yang akan memastikan bahwa saluran terbuka penuh.

Alastair McCormack
sumber
Jangan mengemudi ini langsung dari MCU. Waktu turnon / turnoff akan sangat lama karena kapasitansi gerbang, dan Anda tidak melindungi MCU dari kesalahan.
Jason S
Lebih serius lagi, hanya karena 3.3V berada di atas ambang gerbang, itu tidak berarti sakelar sepenuhnya menyala. Semua itu artinya bahwa arus dijamin di atas ambang batas yang diberikan (250uA untuk FQP30N06L). FQP30N06L dirancang untuk digerakkan dari tegangan setidaknya 5V, yang merupakan tegangan minimum yang mereka tentukan pada resistensi. Apa pun yang lebih rendah dari itu, dan Anda tidak memiliki jaminan perilaku perangkat apa pun di luar arus 250uA dari ambang Vgs.
Jason S
Hai JasonS, maafkan ketidaktahuan saya. Saya tidak melihat dalam spesifikasi di mana 5V diberikan sebagai minimum. Data grafik menunjukkan bahwa ~ 3.3V di gerbang memungkinkan untuk> 10A pada saluran @ 25V, yang ideal untuk tujuan saya (5A @ 12V). Untuk perlindungan, saya telah menempatkan resister 10KΩ antara Gate dan Ground dan berniat untuk menempatkan resister berukuran serupa antara pin MCU dan Gate. Apakah ini cukup?
Alastair McCormack
"Data grafik menunjukkan ..." Data grafik karakterisasi dalam lembar data hampir selalu merupakan representasi dari kinerja tipikal , bukan yang terburuk. Dengan kata lain, itu adalah perilaku rata-rata, bukan ekstrem, dan Anda tidak dapat mengandalkannya untuk semua perangkat. Alasan mereka memasukkannya sama sekali adalah bahwa perilaku relatif (arus naik dengan meningkatnya tegangan gerbang dan peningkatan tegangan saluran) bersifat universal ... Anda tidak bisa mengandalkan angka.
Jason S
1
Lihat halaman 2 ("Pada Karakteristik") - ini memberi Anda dua spesifikasi untuk Rdson dengan Vgs = 10V (maks 35mohm) dan Vgs = 5V (maks 45 mohm). Sejauh perlindungan ... well, lihat artikel saya embeddedrelated.com/showarticle/77.php - resistor pulldown bisa sangat tinggi, biasanya 100K - 1M baik-baik saja. Tapi Anda benar-benar membutuhkan sirkuit penggerak gerbang dari logika 3.3V. Itu tidak memiliki tegangan yang diperlukan untuk menjamin bahwa FQP30N06L akan dihidupkan. Beberapa perangkat mungkin memiliki Rdson yang sedikit lebih tinggi pada 3.3V (atau mungkin masih dalam kisaran arus konstan) dan hasilnya terlalu panas.
Jason S