Czy bezpiecznie jest sterować MOSFET-em ze styku wyjściowego mikrokontrolera?

25

Jako przełączników użyłem powszechnie dostępnych BJT, takich jak 2N2222 i 2N3904, działając w „trybie nasycenia” z mojego MCU. Uważam jednak, że dla tego rodzaju aplikacji MOSFET jest bardziej odpowiednim urządzeniem. Mam jednak kilka pytań.

1) Czy MOSFET ma „tryb nasycenia”, podobnie jak BJT? Czy to „nasycenie” osiąga się po prostu przez zapewnienie wystarczająco wysokiego napięcia w bazie, aby MOSFET był całkowicie „włączony”?

2) Czy bezpiecznie jest prowadzić MOSFET bezpośrednio z MCU? Rozumiem, że bramka MOSFET-a zachowuje się jak kondensator i dlatego pobiera pewien prąd podczas „ładowania”, a potem już nie. Czy ten prąd ładowania jest wystarczająco wysoki, aby uszkodzić pin MCU? Ustawiając rezystor szeregowo z bramką, mogę zabezpieczyć pin, ale to spowolni przełącznik, prawdopodobnie powodując wysokie rozpraszanie ciepła przez MOSFET?

3) Jaki jest wspólny „hobbistyczny” MOSFET odpowiedni do różnych sytuacji niskiej mocy? IE, jaki jest MOSFET równoważny 2N2222 lub 2N3904?

microcontroller mosfet znak
źródło
1
„bardziej odpowiednie” brzmi dla mnie głupio. Zwykle BJT są tańsze, więc używałbym FET tylko wtedy, gdy BJT tego nie zrobi.
starblue
11
Generalnie zrobiłem coś przeciwnego: używaj MOSFET, chyba że potrzebuję BJT. Oba są tanie. Moc marnowana przez R_DSON MOSFET-a jest zwykle mniejsza niż z V_CESAT BJT. Płacisz tylko za energię, aby przełączyć MOSFET, a nie utrzymywać go na stałe, co zmniejsza rozproszenie mocy zarówno w tranzystorze, jak i w części, która go napędza, szczególnie jeśli przełączanie jest rzadkie. MOSFET-y zwykle docierają aż do szyny, ponieważ nie ma V_CESAT. Minusem jest to, że MOSFET nie ciągnie stałej ilości prądu przez całą krawędź, ponieważ wygląda jak rezystor; spowalnia to przełączanie obciążenia pojemnościowego.
Mike DeSimone,

Odpowiedzi:

14

Wiele tranzystorów MOSFET wymaga wysokiego napięcia bramki dla obciążeń wysokoprądowych, aby zapewnić ich pełne włączenie. Są jednak niektóre z wejściami logicznymi. Arkusze danych mogą być mylące, często podają napięcie bramki dla prądu 250 mA na pierwszej stronie, a okazuje się, że potrzebują 12 V dla 5A, powiedzmy.

Dobrym pomysłem jest umieszczenie rezystora na ziemi na bramce, jeśli MOSFET jest napędzany przez wyjście MCU. Piny MCU są zwykle wejściowe po zresetowaniu, co może spowodować chwilowe pływanie bramy, być może włączenie urządzenia, aż program zacznie działać. Nie uszkodzisz wyjścia MCU, podłączając je bezpośrednio do bramki MOSFET.

BS170 i 2N7000 są w przybliżeniu równoważne wymienionym BJT. Zetex ZVN4206ASTZ ma maksymalny prąd drenujący 600 mA. Jednak nie sądzę, że znajdziesz mały MOSFET, który można napędzać z 3,3 V.

Leon Heller
źródło
maksymalny prąd 2N7000 wynosi 200mA, a maksymalny prąd 2N2222 ~ 600mA. czy w tej okolicy jest coś, co można łatwo prowadzić za pomocą MCU 3.3v?
Mark
1
@ Mark Ledwo. To tak, jakby przekraczać napięcie progowe na BJT. Niestety z MOSFET nie masz charakterystyki wykładniczej.
JPC
1
Od lat prowadzę MOSFET-y SC-70 z napięciem 1.8 V w pracy. Pierwszy parametr do sprawdzenia to V_GS (th), jak zauważył Mark. Jest to mniej więcej odpowiednik V_IH dla wejścia CMOS, jeśli n-kanał, lub V_IL dla kanału p. Innymi słowy, przejedź obok tej wartości. Szukając odpowiednika 2222, znalazłem AO3422 (Digi-Key 785-1015-1-ND). 55 V, 2,1 A, SOT-23, V_GS (th) 2,0 V max, 1,3 V typ, r_DSON 130 mOhm przy 3,3 V. Kosztuje tyle samo, co P2N2222AG. Przy obciążeniu 500 mA, 2222 ma V_CESAT = 1,0 V (rozproszenie 500 mW), a AO3422 ma V_DS = 0,065 V (rozproszenie 32,5 mW). FET są zimne.
Mike DeSimone,
3
Rzeczą do zapamiętania przy zakupie MOSFET-ów nie jest przedwczesne ograniczenie V_DS lub I_D podczas wyszukiwania! Te liczby są znacznie wyższe w przypadku FET niż przyzwyczajenie się do BJT przy określonym obciążeniu napędzanym. Zwróć uwagę, że AO3422 (V_DS = 55 V, I_D = 2,1 A) jest znacznie wyższy niż w specyfikacji dla podobnego 2N2222 (V_CE = 50 V, I_C = 0,8 A); wynika to z wydajności! Powodem, dla którego nie widzisz „typowych tranzystorów MOSFET”, takich jak BJT lub diod (1N4148 itp.), Jest fakt, że tranzystory MOSFET pojawiły się później, kiedy było ich więcej, i było znacznie mniej motywów do kopiowania standardowych części konkurencji .
Mike DeSimone
2
@MikeDeSimone: „Pierwszy parametr do sprawdzenia to V_GS (th), jak zauważył Mark. Jest to mniej więcej odpowiednik V_IH dla wejścia CMOS, jeśli n-kanał, lub V_IL dla kanału p. Innymi słowy, należy przekroczyć tę wartość. „ Nie nie nie. Wszystko V_GS (th) oznacza, że ​​przekroczysz określony prąd. MOSFET nie jest uważany za „włączony”, dopóki urządzenie nie zachowa całkowicie rezystancji w określonym zakresie prądów. Wymaga to wyższego napięcia niż V_GS (th) i zwykle nie jest określone, dopóki nie zagwarantuje specyfikacji Rdson, gdzieś w zakresie 4,5 V-10 V (czasami przy niższych napięciach).
Jason S,
11

Jest bezpieczny - ogólnie - i będzie działał, jeśli wybierzesz MOSFET „poziom logiczny”. Zauważ, że „poziom logiczny” nie wydaje się być dokładnie znormalizowanym terminem i niekoniecznie pojawi się jako parametr w wyszukiwaniu parametrycznym na stronach dostawców, ani niekoniecznie pojawi się w arkuszu danych. Przekonasz się jednak, że tranzystory MOSFET na poziomie logicznym często mają literę „L” w numerze części, np .: IR540 (poziom nielogiczny) vs. IRL540 (poziom logiczny). Najważniejsze jest, aby spojrzeć na arkusz danych i sprawdzić wartość VGS (próg) i spojrzeć na wykres pokazujący bieżący przepływ w porównaniu z VGS. Jeśli VGS (próg) wynosi około 1,8 V lub 2,1 V, a „kolano krzywej” na wykresie wynosi około 5 woltów, to w zasadzie masz MOSFET na poziomie logicznym.

Aby zobaczyć przykład specyfikacji MOSFET-a na poziomie logiki, sprawdź ten arkusz danych:

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

Rycina 3 to wykres, o którym mówiłem.

Mimo to widzę, że wiele osób nadal zaleca stosowanie optoizolatora między mikrokontrolerem a MOSFETEM, dla dodatkowego bezpieczeństwa.

przestępstwa umysłowe
źródło
7

Re: nasycenie: tak, ale myląco nie nazywa się nasyceniem (co w rzeczywistości odpowiada regionowi liniowemu w tranzystorach bipolarnych). Zamiast tego spójrz na arkusze danych i znamionową rezystancję Rdson, która jest określona przy pewnym napięciu źródła bramki dla każdej części. Tranzystory MOSFET są zwykle określane przy jednym lub więcej z następujących parametrów: 10 V, 4,5 V, 3,3 V, 2,5 V.

Włożyłem dwa oporniki do obwodu: jeden od bramki do ziemi, jak wspomniał Leon (właściwie umieściłem go od wyjścia MCU do ziemi), a drugi między wyjściem MCU a bramą, aby chronić MCU w w przypadku, gdy MOSFET ma usterkę.

Więcej dyskusji na temat tego wpisu na blogu .

Jeśli chodzi o to, czego użyć MOSFET, tak naprawdę nie ma równoległości do 2N3904 / 2N2222.

2N7000 jest prawdopodobnie najczęstszym i najtańszym FET na rynku. W przypadku innych FET z żelkami spojrzałbym na Fairchild FDV301N, FDV302P, FDV303N, FDV304P.

W następnym kroku (wyższy poziom mocy) przyjrzałbym się IRF510 (100 V) lub IRFZ14 (60 V), oba w TO-220, chociaż są to podstawowe FET określone dla źródła bramkowego 10 V. FET na poziomie logicznym (IRL510, IRLZ14) mają wartość Rdson przy bramie źródła 4,5 V.

Jason S.
źródło
7
Rezystor od styku MCU do bramki służy również do spowolnienia zbocza przełączającego, zmniejszenia dzwonienia, przeregulowania i zakłóceń elektromagnetycznych. 10 omów jest typową wartością.
Mike DeSimone,
0

W odpowiedzi na pytanie 3 stwierdziłem, że Fairchild FQP30N06L jest idealny do sterowania urządzeniem dużej mocy z MCU na poziomie logicznym. To nie jest tanie (0,84 GPB), ale świetne dla leniwych n00bs takich jak ja. Używam ich do dostarczania pasków świetlnych LED RGB 12V.

Niektóre statystyki:

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

Dlatego Raspberry Pi 3,3 V jest powyżej górnego progu bramki 2,5 V, co zapewni, że odpływ jest całkowicie otwarty.

Alastair McCormack
źródło
Nie kieruj tym bezpośrednio z MCU. Czas włączania / wyłączania będzie bardzo długi ze względu na pojemności bramki i nie ochronisz MCU przed żadnymi usterkami.
Jason S,
Co więcej, tylko dlatego, że 3,3 V jest powyżej progu bramki, nie oznacza to, że przełącznik jest w pełni włączony. Oznacza to tylko, że prąd jest gwarantowany powyżej określonego progu (250uA dla FQP30N06L). FQP30N06L jest zaprojektowany do zasilania napięciem o wartości co najmniej 5 V, co stanowi minimalne napięcie określone przez użytkownika podczas rezystancji. Jakikolwiek niższy niż ten, i nie masz żadnych gwarancji na zachowanie urządzenia powyżej prądu 250uA progu Vgs.
Jason S,
Cześć JasonS, wybacz moją ignorancję. Nie widzę w specyfikacjach, gdzie 5 V jest podane jako minimum. Dane wykresu pokazują, że ~ 3,3 V na bramce pozwala na> 10 A na odpływie @ 25 V, co jest idealne do moich celów (5 A @ 12 V). Aby zabezpieczyć, umieściłem opornik 10KΩ między bramką a uziemieniem i zamierzam umieścić opornik o podobnej wielkości między stykiem MCU a bramką. Czy to wystarczy?
Alastair McCormack
„Dane wykresu pokazują ...” Dane wykresu charakterystyki w arkuszu danych prawie zawsze reprezentują typową wydajność, a nie najgorszy przypadek. Innymi słowy, jest to wredne zachowanie, a nie skrajność, i nie można polegać na tym, że jest ważne dla wszystkich urządzeń. Powodem, dla którego w ogóle je uwzględniają, jest to, że względne zachowanie (prąd rośnie wraz ze wzrostem napięcia bramki i wzrostem napięcia drenu) jest uniwersalne ... po prostu nie można polegać na liczbach.
Jason S,
1
Spójrz na stronę 2 („Charakterystyka”) - zawiera dwie specyfikacje dla Rdson z Vgs = 10 V (maks. 35 mA) i Vgs = 5 V (maks. 45 mhm). Jeśli chodzi o ochronę ... cóż, zobacz mój artykuł embeddedrelated.com/showarticle/77.php - rezystor rozwijany może być dość wysoki, zwykle 100K - 1M jest w porządku. Ale naprawdę potrzebujesz obwodu sterującego bramką z logiki 3.3V. Nie ma napięcia niezbędnego do zagwarantowania, że ​​FQP30N06L zostanie włączony. Niektóre urządzenia mogą mieć nieco wyższy Rdson przy 3,3 V (lub nadal mogą znajdować się w zakresie prądu stałego) i w rezultacie przegrzać.
Jason S,