FET: дружелюбный эффективный транзистор

Если вы когда-либо работали со схемой, которая контролирует приличную величину тока, вы часто сталкиваетесь с полевым транзистором – полевым транзистором. Если вы хотите управлять парой мощных светодиодов, включать и выключать USB-устройство или управлять двигателем, где-то на картинке обычно всю тяжелую работу выполняет полевой транзистор. Возможно, вы не знакомы с тем, как работает полевой транзистор, как его использовать и каковы предостережения — давайте рассмотрим основы.

Вот простая схема на полевом транзисторе, которая позволяет переключать питание, скажем, на порт USB, что-то вроде клапана, прерывающего ток. В этой схеме используется P-FET — чтобы включить питание, откройте полевой транзистор, опустив сигнал GATE на уровень земли, а чтобы выключить его, закройте полевой транзистор, снова подняв затвор, где резистор удерживает его по умолчанию. . Если вы хотите управлять им с помощью микроконтроллера с напряжением 3,3 В, который не может выдерживать напряжение верхнего плеча на своих выводах, вы можете добавить секцию NPN-транзистора, как показано на рисунке — это инвертирует логику, превращая ее в более интуитивную схему «высокое = включено». , low=off», и вы больше не рискуете GPIO!

Эта схема называется переключателем верхнего плеча — она позволяет по желанию переключать питание устройства через полевой транзистор. Это самый популярный вариант использования полевого транзистора, и если вы хотите больше узнать о переключателях верхнего плеча, я настоятельно рекомендую эту великолепную статью нашего автора [Била Херда], где он показывает вам основы переключателей верхнего плеча в простой и ясной форме. способ. В этой статье вы можете использовать эту схему как образец того, как полевые транзисторы обычно используются в схеме.

Существуют разные виды полевых транзисторов — MOSFET, JFET и несколько десятков менее популярных, но все же распространенных. Говоря о полевых транзисторах, люди обычно имеют в виду полевые транзисторы, и об этом же пойдет речь в этой статье — другие типы не так популярны для обычных хакерских целей, и я не так уж много знаю о JFET. . Однако все они являются полевыми транзисторами, родственниками другого распространенного типа транзисторов — BJT (биполярный переходной транзистор), достаточно популярных, поэтому мы обычно называем их просто NPN или PNP-транзисторами. Все они относятся к категории транзисторов, но когда люди говорят «транзистор», они обычно имеют в виду BJT, а когда люди говорят «FET», они обычно имеют в виду «MOSFET».

Вы можете представить полевой транзистор как резистор, которым вы можете управлять, и его сопротивление может достигать долей Ома (открытый) или до бесконечно высокого сопротивления для целей вашей конструкции (закрытый). Вы открываете полевой транзистор, заряжая и разряжая его затвор — в самом простом случае вы можете представить затвор как конденсатор. Подводя итог, полевой транзистор — это транзистор, который действует как резистор, со встроенным конденсатором для управления сопротивлением полевого транзистора.

Это делает полевые транзисторы уникальными для таких задач, как переключение шин питания! При управлении шиной питания устройства с помощью BJT падение напряжения как минимум на 0,3 В неизбежно из-за особенностей работы BJT, в результате чего энергия тратится на тепло, что недопустимо для цифровых устройств, где напряжение питания имеет значение. Однако полевой транзистор в том же приложении будет просто встроенным сопротивлением субома – эффективным и удобным. Это основная причина, по которой полевые транзисторы используются для переключения питания, и в результате вы увидите полевые транзисторы во всех местах.

Теперь полевой транзистор не переходит мгновенно от «полностью открытого» к «полностью закрытому» — как и в случае с биполярными транзисторами, которые мы все знаем и любим, существуют и промежуточные состояния, где сопротивление не такое низкое, как у полевого транзистора, но тоже не бесконечен – полевой транзистор частично открыт, или, другими словами, находится в своей линейной области. Вы можете достичь линейной области, подав на затвор почти открытое, но не совсем напряжение, и воспользовавшись этим, вы можете построить усилитель, электронную нагрузку или драйвер постоянного тока для некоторых светодиоды. Однако для целей переключения следует избегать использования полевого транзистора в линейной области: высокое сопротивление означает большие потери и необходимость каким-то образом рассеивать это тепло.

Из-за особенностей конструкции полевых транзисторов каждый полевой транзистор имеет встроенный диод, известный как «корпусный диод». Вы не можете избежать этого диода – он останется там; вы можете объяснить его существование только при подключении устройств. Если диод нежелателен, можно избежать этого, поставив два полевых транзистора друг напротив друга. Именно так работают схемы защиты литий-ионных аккумуляторов — им необходимо защитить батарею от переразряда, отключив вытекающий ток, но им также необходимо защитить от перезаряда, отключив входящий ток и включив два полевых транзистора последовательно с один из способов добиться этого - расположение диодов, обращенных друг к другу. Если вы посмотрите на BMS с литий-ионным аккумулятором с большим током, вы неизбежно обнаружите два полевых транзистора, подключенных таким образом, или даже два ряда полевых транзисторов, включенных параллельно!