Безопасно ли управлять МОП-транзистором с выходного контакта микроконтроллера?

25

Я использовал общедоступные BJT, такие как 2N2222 и 2N3904, в качестве переключателей, используя их в «режиме насыщения» от моего MCU. Однако я считаю, что для такого рода приложений MOSFET является более подходящим устройством. У меня есть несколько вопросов, однако.

1) У MOSFET есть «режим насыщения», как у BJT? Достигается ли это «насыщение» простым подачей достаточно высокого напряжения на базу, чтобы MOSFET был полностью «включен»?

2) Безопасно ли управлять МОП-транзистором непосредственно от MCU? Я понимаю, что затвор полевого МОП-транзистора ведет себя как конденсатор и, следовательно, потребляет некоторый ток во время «зарядки», а затем ни один после этого. Достаточно ли велик этот зарядный ток, чтобы повредить вывод MCU? Поместив последовательно с затвором резистор, я могу защитить контакт, но это замедлит работу переключателя, что может привести к сильному рассеиванию тепла МОП-транзистором?

3) Какой обычный «любительский» MOSFET подходит для различных ситуаций с низким энергопотреблением? IE, что MOSFET эквивалентно 2N2222 или 2N3904?

microcontroller mosfet отметка
источник
1
«более подходящее» звучит для меня глупо. Обычно BJT дешевле, поэтому я бы использовал FET, только если BJT не подойдет.
Starblue
11
Я обычно делал наоборот: используйте MOSFET, если мне не нужен BJT. Они оба дешевые. Мощность, затрачиваемая R_DSON MOSFET, обычно меньше, чем у VJCESAT BJT. Вы платите только за включение MOSFET, а не за его включение, что уменьшает рассеивание мощности как на транзисторе, так и на части, которая его возбуждает, особенно если переключение происходит нечасто. МОП-транзисторы обычно доходят до железной дороги, потому что там нет V_CESAT. Недостатком является то, что МОП-транзистор не протягивает постоянную величину тока по всему краю, поскольку он выглядит как резистор; это замедляет переключение емкостной нагрузки.
Майк ДеСимоне

Ответы:

14

Многие силовые МОП-транзисторы требуют высокого напряжения затвора для сильноточных нагрузок, чтобы обеспечить их полное включение. Однако есть некоторые с входами логического уровня. Таблицы данных могут вводить в заблуждение, они часто дают напряжение затвора для тока 250 мА на первой странице, и вы обнаружите, что им нужно 12 В для 5А, скажем.

Хорошей идеей будет заземление резистора на затворе, если MOSFET управляется выходом MCU. Контакты MCU обычно являются входами при сбросе, и это может привести к тому, что шлюз на мгновение сместится, возможно, включив устройство, пока программа не запустится. Вы не повредите выход MCU, подключив его непосредственно к шлюзу MOSFET.

BS170 и 2N7000 примерно соответствуют BJT, которые вы упомянули. Zetex ZVN4206ASTZ имеет максимальный ток утечки 600 мА. Я не думаю, что вы найдете небольшой полевой МОП-транзистор, который может работать от 3,3В.

Леон Хеллер
источник
2N7000 имеет максимальный ток 200 мА, тогда как 2N2222 имеет максимальный ток ~ 600 мА. есть ли что-то в этом районе, что легко управлять с 3.3v MCU?
Марк
1
@ Марка Едва. Это похоже на превышение порогового напряжения на BJT. К сожалению, с MOSFET у вас нет экспоненциальной характеристики.
jpc
1
Я много лет ездил на полевых МОП-транзисторах SC-70 с напряжением 1,8 В. Первый параметр для проверки - это V_GS (th), как заметил Марк. Это примерно эквивалентно V_IH для входа CMOS, если n-канал, или V_IL для p-канала. Другими словами, проезжайте мимо этого значения. Искал 2222 эквивалента, нашел AO3422 (Digi-Key 785-1015-1-ND). 55 В, 2,1 А, SOT-23, V_GS (th) от 2,0 В макс., 1,3 В тип., R_DSON 130 мОм при 3,3 В. Стоит так же, как P2N2222AG. Для нагрузки 500 мА 2222 имеет V_CESAT = 1,0 В (рассеянная 500 мВт), а AO3422 имеет V_DS = 0,065 В (рассеянную 32,5 мВт). Полевые транзисторы истекают .
Майк ДеСимон
3
При покупке МОП-транзисторов следует помнить, что при поиске не нужно преждевременно ограничивать V_DS или I_D! Эти цифры намного выше для полевых транзисторов, чем вы привыкли видеть для BJT при определенной управляемой нагрузке. Обратите внимание, что AO3422 (V_DS = 55 В, I_D = 2,1 А) намного выше, чем спецификации для аналогичного 2N2222 (V_CE = 50 В, I_C = 0,8 А); это связано с эффективностью! Причина, по которой вы не видите «типичные МОП-транзисторы», как вы делаете для BJT или диодов (1N4148 и т. Д.), Заключается в том, что МОП-транзисторы появились позже, когда было больше компаний, производящих их, и было гораздо меньше мотивов для копирования стандартных деталей конкурентов. ,
Майк ДеСимон
2
@MikeDeSimone: "Первый проверяемый параметр - это V_GS (th), как заметил Марк. Это примерно эквивалентно V_IH для входа CMOS, если n-канал, или V_IL для p-канала. Другими словами, пропустите это значение. " Нет нет нет. Все V_GS (th) означает, что вы прошли указанный ток. МОП-транзистор не считается включенным до тех пор, пока устройство не будет полностью резистивным в указанном диапазоне токов. Это требует более высокого напряжения, чем V_GS (th), и обычно не указывается до тех пор, пока не будут гарантированы спецификации Rdson, где-то в диапазоне 4,5–10 В (иногда при более низких напряжениях).
Джейсон С
11

В целом, это безопасно и будет работать, если вы выберете «логический уровень» MOSFET. Обратите внимание, что «логический уровень» не является точно стандартизированным термином и не обязательно будет отображаться в качестве параметра при параметрическом поиске на сайтах поставщиков, а также не обязательно будет отображаться в технических данных. Однако вы обнаружите, что у полевых МОП-транзисторов логического уровня часто есть буква «L» в номере детали, например: IR540 (не логический уровень) и IRL540 (логический уровень). Самое главное - взглянуть на таблицу данных, проверить значение VGS (пороговое значение) и посмотреть на график, показывающий текущий поток по сравнению с VGS. Если VGS (порог) равен 1,8 В или 2,1 В или около того, а «колено кривой» на графике составляет около 5 вольт, у вас в основном имеется МОП-транзистор логического уровня.

Для примера того, как выглядят спецификации на MOSFET логического уровня, посмотрите эту таблицу данных:

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

Рисунок 3 - график, на который я ссылался.

Все это говорит о том, что многие люди все еще рекомендуют использовать оптоизолятор между микроконтроллером и полевым МОП-транзистором, чтобы обеспечить дополнительную безопасность.

Mindcrime
источник
7

Re: сатурация: да, но это до смешного не называется сатурацией (что на самом деле соответствует линейной области в биполярных транзисторах). Вместо этого посмотрите таблицы и номинальное сопротивление Рдсона, которое указано для определенного напряжения затвор-источник для каждой детали. МОП-транзисторы обычно устанавливаются на одно или несколько из следующих значений: 10 В, 4,5 В, 3,3 В, 2,5 В.

Я бы добавил в схему два резистора: один от затвора к заземлению, как упоминал Леон (на самом деле я бы положил его с выхода MCU на землю), а другой между выводом MCU и затвором, чтобы защитить MCU в В случае неисправности MOSFET.

Больше обсуждения на этой записи в блоге .

Что касается того, что MOSFET использовать, на самом деле нет никакой параллели с 2N3904 / 2N2222.

2N7000, вероятно, самый распространенный и самый дешевый FET. Что касается других желейных полевых транзисторов, я бы посмотрел на Fairchild FDV301N, FDV302P, FDV303N, FDV304P.

Для следующего шага (более высокий уровень мощности) я бы посмотрел на IRF510 (100 В) или IRFZ14 (60 В), оба в TO-220, хотя это базовые полевые транзисторы, которые были разработаны для 10 В затвор-источник. У полевых транзисторов логического уровня (IRL510, IRLZ14) Rdson определен на уровне источника напряжения 4,5 В.

Джейсон С
источник
7
Резистор от вывода MCU к затвору также используется для замедления фронта переключения, для уменьшения звонка, перерегулирования и EMI. 10 Ом является типичным значением.
Майк ДеСимоне
0

Отвечая на вопрос 3, я обнаружил, что Fairchild FQP30N06L идеально подходит для управления устройством большой мощности от MCU на логических уровнях. Это не дешево (0.84 GPB), но отлично подходит для ленивых nbsb, как я. Я использую их для поставки 12V RGB светодиодных лент.

Некоторые характеристики:

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

Поэтому напряжение Raspberry Pi, равное 3,3 В, превышает верхний порог затвора 2,5 В, что гарантирует, что сток полностью открыт.

Аластер МакКормак
источник
Не ведите это прямо из MCU. Время включения / выключения будет очень большим из-за емкости затвора, и вы не защищаете MCU от любых неисправностей.
Джейсон С
А если серьезно, то, что 3.3В выше порога затвора, это не означает, что переключатель полностью включен. Все это означает, что ток гарантированно будет выше заданного порогового значения (250 мкА для FQP30N06L). FQP30N06L рассчитан на питание от напряжений не менее 5 В, что является минимальным напряжением, указанным в сопротивлении. Любое ниже этого, и у вас нет никаких гарантий относительно поведения устройства за пределами тока 250 мкА порога Vgs.
Джейсон С
Привет, Джейсон, прости мое невежество. Я не вижу в спецификациях, где 5 В дается как минимум. Данные графика показывают, что ~ 3,3 В на затворе позволяет> 10 А на стоке при 25 В, что идеально подходит для моих целей (5 А при 12 В). Для защиты я поместил резистор 10 кОм между затвором и землей и намеревался установить резистор аналогичного размера между выводом MCU и затвором. Будет ли этого достаточно?
Аластер МакКормак
«Данные графика показывают ...» Данные графика характеристик в таблице данных почти всегда представляют типичную производительность, а не наихудший случай. Другими словами, это среднее поведение, а не экстремальное, и вы не можете полагаться на то, что оно действительно для всех устройств. Причина, по которой они вообще это включают, заключается в том, что относительное поведение (ток повышается с увеличением напряжения на затворе и увеличением напряжения на стоке) универсально ... вы просто не можете полагаться на цифры.
Джейсон С
1
Посмотрите на страницу 2 («О характеристиках») - она ​​дает вам две спецификации для Rdson с Vgs = 10 В (максимум 35 МОм) и Vgs = 5 В (максимум 45 МОм). Что касается защиты ... ну, см. Мою статью embeddedrelated.com/showarticle/77.php - сопротивление понижающего резистора может быть довольно высоким, обычно 100K - 1M - это нормально. Но вам действительно нужна схема управления затвором от 3.3В логики. У него нет напряжения, необходимого для гарантии того, что FQP30N06L будет включен. Некоторые устройства могут иметь немного более высокое значение Rdson при 3,3 В (или все еще находиться в диапазоне постоянного тока) и в результате перегреваться.
Джейсон С