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Jul 13, 2023

FET: Gemeinsame Unternehmungen, die Spaß machen

Beim letzten Mal haben wir uns die FET-Grundlagen, Details, Nuancen und Vorbehalte angesehen. Die Grundlagen sind jedoch nicht alles, was FETs zu bieten haben – schauen wir uns die praktischen Anwendungen in all ihrer wunderbaren Vielfalt an! Ich will zeigen

Beim letzten Mal haben wir uns die FET-Grundlagen, Details, Nuancen und Vorbehalte angesehen. Die Grundlagen sind jedoch nicht alles, was FETs zu bieten haben – schauen wir uns die praktischen Anwendungen in all ihrer wunderbaren Vielfalt an! Ich möchte Ihnen eine Reihe cooler Schaltkreise zeigen, bei denen ein freundlicher FET, insbesondere ein MOSFET, Ihnen helfen kann – und nebenbei möchte ich Ihnen auch ein paar FETs vorstellen, von denen ich denke, dass Sie alle einen haben könnten gute langjährige Freundschaft mit. Das heißt, falls Sie sie noch nicht kennen!

Vielleicht ist das die beliebteste Verwendung für einen NPN-Transistor – die Ansteuerung von Spulen wie Relais oder Magnetspulen. Wir sind es ziemlich gewohnt, Relais mit BJTs anzusteuern, typischerweise einem NPN – aber es muss kein BJT sein, FETs erledigen den Job oft genauso gut! Hier ist ein N-FET, der in genau der gleichen Konfiguration wie ein typischer BJT verwendet wird, außer dass wir anstelle eines Basisstrombegrenzungswiderstands einen Gate-Source-Widerstand haben – Sie können den BJT nicht einfach auslöten und den FET anschließend einlöten Sie haben das Board entworfen, aber ansonsten ist es ein ziemlich nahtloser Ersatz. Die Freilaufdiode (Gegen-EMF-Schutz) wird immer noch benötigt, wenn Sie das Relais umschalten und die Spule aus Protest verrückte Spannungen erzeugt, aber hey, es kann nicht jeder einzelne Aspekt überlegen sein.

Der Grund, warum Sie es auf die gleiche Weise ansteuern können, ist ganz einfach: In der üblichen NPN-Schaltung wird das Relais von einem 3,3-V- oder 5-V-Logikpegel-GPIO angesteuert, und bei Kleinsignal-FETs liegt dieser deutlich innerhalb von Vgs. Wenn Ihre MCU jedoch über 1,8-V-GPIOs verfügt und die Vgs Ihres FET nicht ganz ausreichen, ist ein NPN-Transistor eine vorteilhaftere Lösung, da dieser funktioniert, solange Sie den geringsten Strom und die dürftigen 0,7 V liefern können, die benötigt werden .

Und hier sind unsere ersten beiden benutzerfreundlichen Transistoren, 2N7002 und BSS138 – beide sind Kleinsignal-N-FETs, die genau für diese Art von Aufgabe geeignet sind. Der 2N7002 ist ein ziemlich klassisches Teil – Sie werden ihn überall dort sehen, wo ein N-FET Platz findet. Der BSS138 ist sehr ähnlich, mit einem etwas höheren Rds-Bereich, aber einem etwas niedrigeren Vgs-Bereich – Sie werden es in einigen Sparkfun- oder Adafruit-Schaltplänen sehen. Sie können sicher ein paar davon kaufen und sie in Ihren Schaltkreisen verwenden, wann immer Sie einen kleinen N-FET benötigen, den Sie mit einem GPIO ansteuern können.

Zu kleinen Logikpegel-FETs gehört natürlich noch mehr. Wenn Sie zum Beispiel jemals den Pegel einiger Signale hin und her verschieben mussten, hätten Sie möglicherweise diese kleinen „Pegelschieber“-Platinen mit vier SOT23-Bauteilen darauf verwendet. Diese SOT23-Teile sind eigentlich FETs, und unsere [Jenny List] hat diese Art von Shifter in ihrem ausführlichen Artikel über Levelshifting behandelt. Diese Methode ist außerdem kostengünstig, einfach und funktioniert mit der überwiegenden Mehrheit der Signale, die Sie jemals pegelverschieben möchten – ein Grund mehr, sich mit Kleinsignal-N-FETs einzudecken!

Hier ist die wunderbare Schaltung, mit der Sie mit einem FET einen verlustfreien Verpolungsschutz durchführen können! Sie können jede Art von FET verwenden – häufig wird hierfür ein P-FET verwendet, da eine unterbrechungsfreie gemeinsame Masse seine Vorteile hat, aber ein N-FET funktioniert auch. Diese Art des Verpolungsschutzes ist viel besser als die Verwendung einer Reihendiode, da Sie nicht annähernd so viel Strom verschwenden – bei einem Stromverbrauch von 1–2 A kann eine Diode über 1 W Strom in Wärme umwandeln.

Wenn Vgs nicht höher als Ihre erwartete Leistungsaufnahme ist, müssen Sie lediglich das Gate eines P-FET an den negativen Pin anschließen, den Leistungseingang an den positiven Pin anschließen und den Drain-Pin als Ausgang festlegen. Andernfalls, wenn Ihre Eingangsspannung die Vgs-Schwellenwerte überschreiten oder die Vgs-Schwellenwerte umkehren könnte, sollten Sie eine Zenerdiode und einen Widerstand hinzufügen, um die Spannung zu begrenzen. Diese Art des Verpolungsschutzes ist kostengünstig, verlustfrei und kann Ihre Komponenten absolut vor dem Feuertod bewahren.

Sofern Ihre Schaltung nicht sehr stromsparend ist, möchten Sie natürlich über Kleinsignal-FETs hinausgehen – wie sieht es mit der Leistungsaufnahme für ein Entwicklungsboard aus, an dem Sie arbeiten? Vielleicht könnten Sie sogar den gleichen FET-Typ verwenden, den Sie für High-Side-Switching-Peripheriegeräte verwenden würden? Schauen wir uns leistungsstärkere FETs an – insbesondere ein paar kleine, aber gute P-FETs, die höhere Ströme verarbeiten können, ohne ins Schwitzen zu geraten.

Es gibt eine ganze Reihe kleiner, aber leistungsstarker FETs mit einem maximalen Vgs-Bereich von 12 V bis 24 V und einem maximalen Ids von etwa 2 A bis 4 A, die für viele Anlässe geeignet sind. Einige von ihnen verfügen über einen Logikpegeleingang, was in der Regel angemessene Rds bei Vgs bedeutet, die deutlich unter dem 3,3-V-Logik-High-Pegel, also 1,8 V, liegen – falls Sie jemals die Stromversorgung auf ein 3,3-V-WLAN-Modul umschalten müssen und dies auch tun möchten ein GPIO, ein solcher FET wird die Rechnung erfüllen. Andere kennzeichnen sich selbst nicht als logisch, haben aber bei niedrigen Vgs einen angemessenen Rds.

Von meinen bevorzugten Allzweck-P-FETs mit höherem Strom habe ich mit IRLML6401 und IRLML6402 begonnen und verwende jetzt ihre östlichen Gegenstücke, CJ2305 und HX2301A, nur weil diese bei LCSC günstiger sind. Wenn es um N-FETs ähnlichen Kalibers geht, ist IRLML2502 großartig, und AO3400A ist seit Jahren ein Gadget-Klassiker aus dem Osten. Auf der Suche nach mehr? Schauen Sie sich diese Ausgabe von Ask Hackaday an, in der Hacker uns Vorschläge zu genau dieser Art von FETs gemacht haben.

Wir haben alle schon einmal einen Zwei-Dioden-Schaltkreis gesehen, mit dem Sie einen Schaltkreis entweder über einen Gleichstromeingang oder eine Batterie mit nahtloser Umschaltung versorgen können. Es gibt jedoch ein Problem: Im Batteriebetrieb verliert man mit einer Reihendiode einen ordentlichen Teil der Ausgangsspannung, und das macht sich besonders bemerkbar, wenn man einen 3,3-V-Stromkreis von einem LiIon-Akku mit seiner Spannung von 4,2 V bis 3 V versorgt Reichweite. Diese Schaltung entlastet den Akku während des Ladevorgangs und versorgt ihn stattdessen mit 5 V. Auch wenn es funktionieren könnte, wenn die Last dauerhaft parallel an die Batterie angeschlossen wäre, sollten Sie den CC/CV-Zyklus des Ladegeräts nicht beeinträchtigen.

Ich habe diesen im Artikel über LiIon-Schaltkreise erwähnt, aber er hat noch einmal ein Highlight: Es ist einfach ein toller Schaltkreis. Natürlich benötigen Sie einen FET, der den Anforderungen entspricht, und P-FETs auf Logikebene passen hervorragend zu dieser Schaltung. Oh, und die richtige Dimensionierung des Widerstands kann bei Problemen helfen – Sie können sicher etwa 10 kΩ oder sogar 47 kΩ wählen, aber wenn Ihr Stromkreis beim Trennen des Ladegeräts einen Stromausfall hat, können Sie ihn auf bis zu 1 kΩ senken; Schließlich benötigt ein FET-Gate nicht allzu viel Strom, um geladen zu bleiben.

Bedenken Sie: Im Vergleich zur üblichen High-Side-Schaltanordnung dreht diese Schaltung den FET um und vertauscht Drain und Source, sodass 5 V nicht über die Body-Diode in die Batterie eingespeist werden. Es funktioniert trotzdem, insbesondere weil die Body-Diode Spannung am Source-Pin erzeugt. Beachten Sie jedoch, dass der Vgs-Schwellenwert berechnet werden muss, indem der Abfall der Body-Diode von der niedrigstmöglichen Batteriespannung abgezogen wird – der FET öffnet sonst möglicherweise nicht.

Wenn Sie die Stromversorgung eines Peripheriegeräts wie eines GSM-Modems auf einer eigenen Breakout-Platine mit einigen großen Kondensatoren auf der Stromschiene umschalten, verbraucht es manchmal eine Menge Strom und senkt die Spannung – was wahrscheinlich zu einem Spannungsabfall Ihres Mikrocontrollers und einem Neustart führt . Mit einem einzigen Kondensator zwischen Gate und Drain können Sie Ihrer High-Side-schaltenden P-FET-basierten Schaltung einen primitiven Sanftanlauf hinzufügen, indem Sie den FET beim Einschalten und Vorladen länger in seinem linearen Bereich verbringen lassen die Kondensatoren, bevor sie sich vollständig öffnen, und glättet die Leistungsaufnahmespitze. Das ist ein Trick, aber er löst das Problem, und Sie können ihn sogar in der Postproduktion ändern.

Möchten Sie mehr erfahren? Hier ist eine wunderbare Anmerkung von onsemi, in der es um die Grundlagen des Lastschaltens mit FETs geht, wobei sowohl auf praktische Beispiele dafür als auch auf die Mathematik dahinter eingegangen wird und auf Fälle eingegangen wird, in denen Sie möglicherweise stattdessen einen Lastschalter verwenden möchten. Oh, und was wären das übrigens?

Es ist schwer zu vergleichen, wie gut integrierte ICs sein können – ein einzelner Chip kann alle Ihre Probleme auf eine Weise lösen, wie es eine Lösung mit diskreten Komponenten möglicherweise nie kann. Angenommen, Sie möchten eine 5-V-/1,5-A-Last schalten, würden aber auch von einem Überstromschutz profitieren. Bei einer selbst entwickelten FET-basierten Lastschaltlösung müssen Sie mindestens einen Strommesswiderstand und einen Operationsverstärker oder einen Komparator hinzufügen. Andererseits verfügt ein Lastschalter wie ein SY6280 über alle Funktionen, die Sie beim Bau Ihres eigenen High-Side-Schalters mit FETs haben könnten, eine Strombegrenzung, die einfach mit einem einzigen Widerstand konfiguriert werden kann, und sogar einen optionalen Ausgangsentladewiderstand für den Fall Ihr Gerät könnte davon profitieren, wenn es nach dem Ausschalten keine Restspannung mehr hat.

Alles in allem gibt es eine große Auswahl an Lastschaltern, die Ihre Schaltkreise weniger komplex und leistungsfähiger machen sollen, und sie sind nicht viel teurer als ein zusätzlicher FET. Sie verfügen alle über FETs im Inneren, sind aber in der Regel GPIO-steuerbar – es besteht keine Notwendigkeit mehr, sich um Gate-Kapazität oder Vgs zu kümmern. Bei einigen von ihnen ist ein Sanftanlauf möglich, bei anderen möglicherweise nicht. Einige von ihnen verfügen über eine Strombegrenzung, andere nicht, einige verfügen über einen Rückstromschutz und andere nicht, aber welche Anwendung auch immer Sie im Sinn haben, Sie werden in jedem Ihrer FET-basierten Schaltkreise einen Lastschalter finden können wird für Ihre Bedürfnisse zu komplex.

Natürlich benötigen Sie manchmal einen ganz bestimmten FET oder einen Anwendungsfall, für den Sie keinen vertrauten Kandidaten haben. An einem solchen Punkt müssen Sie auf einen Teile-Auswähler zurückgreifen – und es kann etwas einschüchternd wirken, dies zu tun, da es eine ganze Reihe von Parametern gibt. Entscheiden Sie sich zunächst für SMD-FETs für die meisten der oben genannten Anwendungsfälle – Durchgangs-FETs sind für etwas wie „20 V Vds max, 3 A Ids max“ ziemlich selten und SMD-FETs in ihren typischen Gehäusen sind ziemlich lötbar. Mit anderen Worten: Sie müssen sich nicht mit THT-Teilen befassen, wenn Sie auf eine höhere Leistung umsteigen müssen.

Bei gleichen Eigenschaften werden N-FETs etwas günstiger sein als P-FETs, sie werden etwas niedrigere Rds haben und möglicherweise leichter verfügbar sein. Dies ist etwas, zwischen dem Sie normalerweise nicht frei wählen können, aber wenn Sie die Kontrolle über die Schaltung haben, ist es vielleicht eine gute Idee, sich für Ihre Hochleistungsschaltaufgaben für einen N-FET zu entscheiden. Nachdem Sie Ihren FET-Typ ausgewählt haben, beschränken Sie sich auf diese Kategorie und möglicherweise auch auf die Anzahl der Kanäle – entweder ein oder zwei sind eine gute Wahl, aber im Allgemeinen ist es sinnvoll, Einkanal-FETs zu verwenden, es sei denn, Sie verwenden viele ähnliche FETs in Ihrem Stromkreis.

Bei den Hauptparametern sind Vds und Id die wichtigsten, sodass Sie Ihre Auswahl zunächst auf diese beschränken können. Gehen Sie bei Ihrer erwarteten Maximalspannung weit über die Spezifikation hinaus. Sie möchten im realen Einsatz wirklich nicht in der Nähe der erwarteten Maximalwerte bleiben, daher ist es wichtig, mindestens 20 % Spielraum zu haben, bei induktiven Lasten sogar noch viel mehr gute Idee. Wenn Sie jedoch bei einem dieser Teile zu weit nach oben gehen, gelangen Sie möglicherweise zu Teilen mit unangemessen großen erforderlichen Vgs. Es besteht also kein Grund, zu weit zu gehen. Mit anderen Worten: Sie benötigen mindestens einen 30-V-/3-A-FET zum Schalten eines 24-V-/2-A-LED-Streifens, während ein 45-V-/5-A-FET zu hoch ist.

Nachdem Sie den Vds- und Ids-Bereich eingeschränkt haben, können Sie abschließend alle Arten von Gehäusen herausfiltern, die Sie möglicherweise nicht von Hand löten möchten – speziell für SMD ist es eine gute Idee, sich auf SOT- und SO- zu beschränken, wenn Sie keine haben Heiße Luft Pistole. Zu diesem Zeitpunkt sollten Sie über eine recht kleine Anzahl an FETs verfügen. In diesem Moment können Sie die wenigen verbliebenen Vgs-Schwellenwerte und Rds-Ausreißer herausfiltern, sie dann nach Preis sortieren und sehen, welche Low-End-Optionen Ihnen zur Verfügung stehen. Finden Sie einige, bei denen Vgs oberflächlich gesehen zufriedenstellend aussieht, gehen Sie dann zum Datenblatt und sehen Sie sich die Diagramme an. Erscheint der Rds bei den Vgs, die Sie bereitstellen können, angemessen?

Es gibt weitaus mehr Rezepte für den FET-Einsatz in Ihren Schaltkreisen als diese. Sie werden PWM-Controller, Motorcontroller, elektronische Lasten, Schutzschaltungen sehen – ein FET hat möglicherweise einen wohlverdienten Platz auf Ihrer Platine, und es ist wunderbar, wenn Sie sich mit deren Verwendung auskennen. Wenn Sie das nächste Mal mit etwas oder viel Leistung zurechtkommen möchten, ist ein freundlicher FET möglicherweise die beste Hilfe, die Sie bekommen können.