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Jul 13, 2023

FET: Esfuerzos divertidos juntos

La última vez, analizamos los conceptos básicos, los detalles, los matices y las advertencias de FET. Sin embargo, los conceptos básicos no son todo lo que hay sobre los FET: ¡repasemos los usos del mundo real, en toda su maravillosa variedad! quiero mostrar

La última vez, analizamos los conceptos básicos, los detalles, los matices y las advertencias de FET. Sin embargo, los conceptos básicos no son todo lo que hay sobre los FET: ¡repasemos 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 sea el uso más popular de un transistor NPN: bobinas impulsoras, como relés o solenoides. Estamos bastante acostumbrados a controlar relés con BJT, normalmente un NPN, pero no tiene por qué ser un BJT, ¡los FET a menudo harán el trabajo igual de bien! Aquí hay un N-FET, usado exactamente en la misma configuración que un BJT típico, excepto que en lugar de una resistencia limitadora de corriente base, tenemos una resistencia de puerta-fuente; no se puede soldar el BJT y soldar el FET después. usted ha diseñado la placa, pero por lo demás es un reemplazo bastante perfecto. El diodo de rueda libre (protección contra EMF) todavía es necesario para cuando cambias el relé y la bobina produce voltajes extraños en señal de protesta, pero bueno, no todos los aspectos pueden ser superiores.

La razón por la que puede controlarlo de la misma manera es bastante simple: en el circuito NPN habitual, el relé es controlado por un GPIO de nivel lógico de 3,3 V o 5 V, y para FET de señal pequeña, eso está dentro de Vgs. Sin embargo, si su MCU tiene GPIO de 1,8 V y los Vgs 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 señal pequeña, aptos exactamente para este tipo de trabajo. El 2N7002 es una pieza bastante clásica: lo verá con frecuencia 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 de forma segura 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 pequeños; por ejemplo, si alguna vez necesitaras cambiar el nivel de algunas señales de un lado a otro, podrías haber usado esas pequeñas placas de "cambio de nivel" con cuatro partes SOT23. Esas piezas SOT23 son en realidad FET, y nuestra [Jenny List] cubrió este tipo de palanca de cambios en su extenso artículo sobre cambio de nivel. Este método también es barato, simple y funcionará con la inmensa mayoría de las señales que alguna vez querrá cambiar de nivel: ¡razones más para abastecerse de N-FET de señales pequeñas!

¡Aquí está el maravilloso circuito que le permite realizar protección contra 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 puntos en común ininterrumpidos tiene sus beneficios, pero un N-FET también funcionará. Esta forma de protección contra polaridad inversa es mucho mejor que usar un diodo en serie, porque no desperdicia tanta energía: con 1-2 A de consumo de energía, un diodo puede hacer que desperdicie más de 1 W de energía en calor.

Si Vgs no es mayor que la entrada de energía esperada, todo lo que necesita hacer es conectar una puerta 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 invertir los umbrales de Vgs, querrá agregar un diodo zener y una resistencia para fijar el voltaje. Este tipo de protección contra polaridad inversa es económica, no produce pérdidas y puede salvar absolutamente sus componentes de una muerte por incendio.

Por supuesto, a menos que su circuito sea de muy baja potencia, querrá ir más allá de los FET de señal pequeña. ¿Qué pasa con la entrada de energía para una placa de desarrollo en la que está trabajando? ¿Quizás incluso podrías usar el mismo tipo de FET que usarías para los periféricos de conmutación de lado alto? Analicemos 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 Vgs máximos que van de 12 V a 24 V e Ids máximos de 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 lógico alto 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, dicho FET cumplirá los requisitos. Otros no se marcan a sí mismos como de nivel lógico, pero tienen Rds razonables con Vgs bajos.

De mis P-FET multiusos favoritos de mayor corriente, 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, el IRLML2502 es excelente y el AO3400A ha sido un dispositivo clásico de fabricación oriental durante años. ¿Buscando por mas? Consulte esta entrega de Ask La-Tecnologia, donde los piratas informáticos nos dieron sugerencias exactamente sobre este tipo de FET.

Todos hemos visto un circuito de dos diodos, que le permite alimentar un circuito desde una entrada de alimentación de CC o una batería con una conmutación perfecta. Sin embargo, hay un problema: mientras funciona con batería, tener un diodo en serie le hará perder una buena cantidad de voltaje de salida, y eso es especialmente notable cuando se alimenta un circuito de 3,3 V desde una batería de LiIon con su voltaje de 4,2 V-3 V. rango. Este circuito quita la carga de la batería mientras se está cargando, alimentando la carga desde 5V. Si bien parece que tener la carga conectada permanentemente a la batería en paralelo podría funcionar, no desea interferir con el ciclo CC/CV del cargador.

Mencioné este en el artículo sobre circuitos de LiIon, pero merece la pena destacar una vez más: es un circuito fantástico. Por supuesto, querrá un FET que se ajuste a sus necesidades, y los P-FET de nivel lógico se ajustan maravillosamente a este circuito. Ah, y dimensionar la resistencia correctamente puede ayudar con los problemas: puede optar con seguridad por algo como 10 kΩ o incluso 47 kΩ, pero si su circuito sufre una caída de tensión 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 drenaje y fuente para que 5 V no ingresen a la batería a través del diodo del cuerpo. funcionará de todos modos, específicamente porque el diodo del cuerpo genera voltaje en el pin 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, es posible que el FET no se abra.

A veces, cuando se enciende un periférico como un módem GSM en su propia placa de conexión, con algunos condensadores pesados ​​en su línea de alimentación, consumirá una gran cantidad de corriente y bajará el voltaje; probablemente, el 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 y se precarga. 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 introducir en la posproducción.

¿Le gustaría saber más? Aquí hay una maravillosa nota de onsemi, que habla sobre los conceptos básicos de la conmutación de carga con FET, y analiza ejemplos prácticos y las matemáticas detrás de ella, así como casos en los que es posible que desee utilizar 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 que una solución de componentes discretos nunca podría hacerlo. Por ejemplo, digamos 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, necesitará agregar una resistencia de medición de corriente y un amplificador operacional 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 de que su dispositivo podría beneficiarse de no tener voltaje residual después de apagarlo.

En definitiva, existe 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 los Vgs. Algunos de ellos le permiten realizar 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 necesitarás un FET muy específico, algún caso de uso para el que no tienes un candidato familiar. En ese punto, tendrás que consultar un selector de piezas, y puede resultar un poco intimidante hacerlo, ya que hay bastantes parámetros para hacerlo. Para empezar, opte por FET SMD para la mayoría de los casos de uso mencionados anteriormente: los FET de orificio pasante son bastante raros para algo como “20 V Vds máx., 3 A Ids máx”, y los FET SMD en sus encapsulados típicos son bastante soldables. En otras palabras, no es necesario buscar piezas de THT cuando hay que aumentar la potencia.

Para las mismas características, los N-FET serán ligeramente 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 tenga la libertad de elegir, pero en el momento en que tenga control sobre el circuito, tal vez sea una buena idea optar por un N-FET para sus tareas de conmutación de alta potencia. Habiendo 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 canales de un solo canal a menos que esté usando muchos FET similares. en tu circuito.

Con los parámetros principales, los más importantes son Vds e Id, por lo que puedes empezar limitando tu elección por estos; Si realiza una sobreespecificación saludable en su voltaje máximo esperado, realmente no desea 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 una buena idea. Sin embargo, ir demasiado lejos en cualquiera de estas partes puede llevarle a partes con Vgs excesivamente grandes, 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 paquetes que quizás no desee soldar manualmente; para SMD específicamente, 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 parezca satisfactorio a nivel de superficie, luego vaya a la hoja de datos y revise los gráficos. En los Vgs que puede proporcionar, ¿Rds parece razonable?

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