Ist es sicher, einen MOSFET über einen Ausgangspin eines Mikrocontrollers anzusteuern?

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Ich habe allgemein verfügbare BJTs wie die 2N2222 und 2N3904 als Schalter verwendet, indem ich sie von meiner MCU aus im "Sättigungsmodus" betrieben habe. Ich glaube jedoch, dass für diese Art von Anwendungen ein MOSFET geeigneter ist. Ich habe jedoch ein paar Fragen.

1) Hat ein MOSFET einen "Sättigungsmodus" wie der BJT? Wird diese "Sättigung" erreicht, indem einfach eine ausreichend hohe Spannung an der Basis bereitgestellt wird, so dass der MOSFET vollständig "ein" ist?

2) Ist es sicher, den MOSFET direkt von der MCU aus anzusteuern? Ich verstehe, dass sich das Gate des MOSFET wie ein Kondensator verhält und daher beim "Laden" etwas Strom zieht und danach keinen. Ist dieser Ladestrom hoch genug, um den MCU-Pin zu beschädigen? Indem ich einen Widerstand in Reihe mit dem Gate lege, kann ich den Pin schützen, aber dies verlangsamt den Schalter, was möglicherweise zu einer hohen Wärmeableitung durch den MOSFET führt.

3) Was ist ein üblicher "Bastler" -MOSFET, der für verschiedene Situationen mit geringem Stromverbrauch geeignet ist? IE, was entspricht der MOSFET einem 2N2222 oder 2N3904?

microcontroller mosfet Kennzeichen
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"angemessener" klingt für mich albern. Normalerweise sind BJTs billiger, daher würde ich einen FET nur verwenden, wenn ein BJT dies nicht kann.
Starblue
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Ich habe im Allgemeinen das Gegenteil getan: Verwenden Sie einen MOSFET, es sei denn, ich benötige einen BJT. Sie sind beide billig. Die von dem R_DSON eines MOSFET verschwendete Leistung ist normalerweise geringer als von dem V_CESAT eines BJT. Sie zahlen nur Strom, um einen MOSFET zu schalten, nicht, um ihn einzuschalten, was die Verlustleistung sowohl im Transistor als auch im Teil, der ihn ansteuert, verringert, insbesondere wenn selten geschaltet wird. MOSFETs reichen normalerweise bis zur Schiene, da kein V_CESAT vorhanden ist. Der Nachteil ist, dass ein MOSFET keine konstante Strommenge über die gesamte Kante zieht, da er wie ein Widerstand aussieht. Dies verlangsamt das Schalten einer kapazitiven Last.
Mike DeSimone

Antworten:

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Viele Leistungs-MOSFETs erfordern eine hohe Gate-Spannung für Hochstromlasten, um sicherzustellen, dass sie vollständig eingeschaltet sind. Es gibt jedoch auch Eingänge mit Logikpegel. Die Datenblätter können irreführend sein, sie geben häufig die Gate-Spannung für 250 mA-Strom auf der Vorderseite an und Sie stellen fest, dass sie 12 V für 5 A benötigen, sagen wir.

Wenn ein MOSFET über einen MCU-Ausgang angesteuert wird, empfiehlt es sich, einen Widerstand am Gate gegen Masse zu legen. MCU-Pins werden normalerweise beim Zurücksetzen eingegeben. Dies kann dazu führen, dass das Gate vorübergehend schwebt und das Gerät möglicherweise eingeschaltet wird, bis das Programm ausgeführt wird. Sie können den MCU-Ausgang nicht beschädigen, indem Sie ihn direkt an ein MOSFET-Gate anschließen.

Das BS170 und das 2N7000 entsprechen in etwa den von Ihnen erwähnten BJTs. Der Zetex ZVN4206ASTZ hat einen maximalen Drainstrom von 600 mA. Ich glaube nicht, dass Sie einen kleinen MOSFET finden, der mit 3,3 V betrieben werden kann.

Leon Heller
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Der 2N7000 hat einen maximalen Strom von 200 mA, während der 2N2222 einen maximalen Strom von ~ 600 mA hat. Gibt es etwas in dieser Nachbarschaft, das mit einer 3,3-V-MCU einfach zu fahren ist?
Mark
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@ Mark kaum. Es ist, als würde man bei einem BJT nur über die Schwellenspannung gehen. Leider haben Sie mit dem MOSFET nicht die Exponentialcharakteristik.
JPC
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Ich habe jahrelang SC-70-Gehäuse-MOSFETs mit 1,8 V bei der Arbeit angesteuert. Der erste zu überprüfende Parameter ist V_GS (th), wie Mark bemerkt hat. Es entspricht ungefähr V_IH für einen CMOS-Eingang, wenn n-Kanal, oder V_IL für einen p-Kanal. Fahren Sie mit anderen Worten über diesen Wert hinaus. Auf der Suche nach einem 2222-Äquivalent wurde der AO3422 (Digi-Key 785-1015-1-ND) gefunden. 55 V, 2,1 A, SOT-23, V_GS (th) von 2,0 V max, 1,3 V typ., R_DSON von 130 mOhm bei 3,3 V. Kosten wie beim P2N2222AG. Bei einer 500-mA-Last hat der 2222 eine Verlustleistung von V_CESAT = 1,0 V (500 mW) und der AO3422 eine Verlustleistung von V_DS = 0,065 V (32,5 mW). FETs laufen kalt.
Mike DeSimone
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Das Wichtigste beim Einkauf von MOSFETs ist, den V_DS- oder I_D-Wert bei der Suche nicht vorzeitig zu begrenzen! Diese Zahlen sind für FETs viel höher als für BJTs bei einer bestimmten angesteuerten Last. Beachten Sie, dass der AO3422 (V_DS = 55 V, I_D = 2,1 A) viel höher ist als die Spezifikationen für den ähnlichen 2N2222 (V_CE = 50 V, I_C = 0,8 A); das liegt an der effizienz! Der Grund, warum Sie keine "typischen MOSFETs" wie bei BJTs oder Dioden (1N4148 usw.) sehen, ist, dass MOSFETs später auftauchten, als mehr Unternehmen sie herstellten, und es viel weniger Gründe gab, die Standardteile der Konkurrenz zu kopieren .
Mike DeSimone
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@MikeDeSimone: "Der erste zu überprüfende Parameter ist V_GS (th), wie Mark bemerkt hat. Es ist ungefähr gleichbedeutend mit V_IH für einen CMOS-Eingang, wenn n-Kanal, oder V_IL für einen p-Kanal. Mit anderen Worten, fahren Sie über diesen Wert hinaus. " Nein nein Nein. Alles, was V_GS (th) bedeutet, ist, dass Sie über einen bestimmten Strom hinauskommen. Der MOSFET wird erst dann als eingeschaltet betrachtet, wenn das Gerät über einen bestimmten Strombereich ein vollständiges Widerstandsverhalten aufweist. Dies erfordert eine höhere Spannung als V_GS (th) und wird normalerweise erst spezifiziert, wenn die garantierten Rdson-Spezifikationen irgendwo im Bereich von 4,5 V bis 10 V liegen (manchmal bei niedrigeren Spannungen).
Jason S
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Dies ist im Allgemeinen sicher und funktioniert, wenn Sie einen MOSFET mit "Logikpegel" auswählen. Beachten Sie, dass "Logikpegel" kein genau standardisierter Begriff zu sein scheint und nicht unbedingt als Parameter in der parametrischen Suche an den Standorten des Herstellers angezeigt wird und auch nicht unbedingt im Datenblatt erscheint. Sie werden jedoch feststellen, dass MOSFETs mit Logikpegel häufig ein "L" in der Teilenummer haben, z. B .: IR540 (kein Logikpegel) vs. IRL540 (Logikpegel). Das Wichtigste ist, im Datenblatt nachzuschlagen und den VGS-Wert (Schwellenwert) zu überprüfen. Schauen Sie sich die Grafik an, in der der aktuelle Fluss im Vergleich zu VGS dargestellt ist. Wenn die VGS (Schwelle) etwa 1,8 V oder 2,1 V beträgt und das "Knie der Kurve" in der Grafik bei etwa 5 Volt liegt, haben Sie im Grunde einen MOSFET mit Logikpegel.

Ein Beispiel für die technischen Daten eines MOSFET auf Logikebene finden Sie in diesem Datenblatt:

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

Abbildung 3 ist das Diagramm, auf das ich mich bezog.

Trotzdem sehe ich, dass immer noch viele Leute empfehlen, einen Optokoppler zwischen dem Mikrocontroller und dem MOSFET zu verwenden, nur um besonders sicher zu sein.

Geisteskriminalität
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Re: Sättigung: ja, aber es wird verwirrenderweise nicht als Sättigung bezeichnet (was tatsächlich dem linearen Bereich in Bipolartransistoren entspricht). Schauen Sie sich stattdessen die Datenblätter und den Nennwiderstand Rdson an, der für jedes Teil bei einer bestimmten Gate-Source-Spannung angegeben ist. MOSFETs werden normalerweise mit einer oder mehreren der folgenden Spannungen spezifiziert: 10 V, 4,5 V, 3,3 V, 2,5 V.

Ich habe zwei Widerstände in den Stromkreis eingebaut: einen von Gate zu Ground, wie Leon bereits erwähnt hat (eigentlich würde ich ihn vom MCU-Ausgang auf Masse legen), und einen anderen zwischen MCU-Ausgang und Gate, um die MCU zu schützen In diesem Fall ist der MOSFET defekt.

Weitere Diskussion zu diesem Blogeintrag .

Was den zu verwendenden MOSFET angeht, gibt es tatsächlich keine Parallele zum 2N3904 / 2N2222.

2N7000 ist wahrscheinlich der am weitesten verbreitete und günstigste FET. Für andere Jellybean-FETs würde ich Fairchild FDV301N, FDV302P, FDV303N, FDV304P betrachten.

Für den nächsten Schritt (höhere Leistungsstufe) würde ich IRF510 (100 V) oder IRFZ14 (60 V) in TO-220 betrachten, obwohl es sich um Basis-FETs handelt, die an einer 10-V-Gate-Source spezifiziert sind. Bei FETs auf Logikebene (IRL510, IRLZ14) ist Rdson auf 4,5 V Gate-Source spezifiziert.

Jason S
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Der Widerstand vom MCU-Pin zum Gate wird auch verwendet, um die Schaltflanke zu verlangsamen, um Klingeln, Überschwingen und EMI zu reduzieren. 10 Ohm ist ein typischer Wert.
Mike DeSimone
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Als Antwort auf Frage 3 fand ich, dass der Fairchild FQP30N06L ideal für die Ansteuerung eines Hochleistungsgeräts von einer MCU auf Logikebene ist. Es ist nicht billig (0,84 GPB), aber großartig für faule n00bs wie mich. Ich benutze sie für die Lieferung von 12V RGB LED-Lichtleisten.

Einige Statistiken:

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

Daher liegt Raspberry Pi 3,3 V über der oberen 2,5 V-Gate-Schwelle, wodurch sichergestellt wird, dass der Abfluss vollständig geöffnet ist.

Alastair McCormack
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Fahren Sie dies nicht direkt von einer MCU. Die Einschalt- / Ausschaltzeit ist aufgrund der Gate-Kapazitäten sehr lang und Sie schützen die MCU nicht vor Fehlern.
Jason S
Nur weil 3,3 V über der Gate-Schwelle liegen, bedeutet dies nicht , dass der Schalter voll eingeschaltet ist. Dies bedeutet lediglich, dass der Strom garantiert über einem bestimmten Schwellenwert liegt (250 uA für den FQP30N06L). Der FQP30N06L kann mit Spannungen von mindestens 5 V betrieben werden. Dies ist die Mindestspannung, die für den Einschaltwiderstand angegeben ist. Bei einem niedrigeren Wert können Sie keinerlei Garantie für ein Geräteverhalten übernehmen, das über dem 250-uA-Strom des Vgs-Schwellenwerts liegt.
Jason S
Hallo JasonS, vergib mir meine Unwissenheit. Ich sehe in den Spezifikationen nicht, wo 5V als Minimum angegeben ist. Die Grafikdaten zeigen, dass ~ 3,3 V am Gate> 10 A am Drain bei 25 V zulassen, was für meine Zwecke ideal ist (5 A bei 12 V). Zum Schutz habe ich einen 10-kΩ-Widerstand zwischen Gate und Masse gelegt und beabsichtige, einen Widerstand mit ähnlicher Größe zwischen den MCU-Pin und Gate zu legen. Wird das ausreichen?
Alastair McCormack
"Die Grafikdaten zeigen ..." Die Grafikdaten für die Charakterisierung in einem Datenblatt sind fast immer eine Darstellung der typischen Leistung, nicht der schlimmsten Fälle. Mit anderen Worten, es ist das gemeine Verhalten, nicht das Extreme, und Sie können sich nicht darauf verlassen, dass es für alle Geräte gültig ist. Der Grund dafür ist, dass das relative Verhalten (Strom steigt mit zunehmender Gate-Spannung und zunehmender Drain-Spannung) universell ist. Man kann sich einfach nicht auf die Zahlen verlassen.
Jason S
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Schauen Sie auf Seite 2 ("On Characteristics") - Sie erhalten zwei Spezifikationen für Rdson mit Vgs = 10 V (max. 35 Ohm) und Vgs = 5 V (max. 45 Ohm). Zum Schutz ... siehe meinen Artikel embeddedrelated.com/showarticle/77.php - Pulldown-Widerstand kann ziemlich hoch sein, normalerweise sind 100K - 1M in Ordnung. Aber Sie brauchen wirklich eine Gate-Ansteuerschaltung mit 3,3 V Logik. Es ist nicht die Spannung vorhanden, die zum Einschalten des FQP30N06L erforderlich ist. Einige Geräte haben möglicherweise einen deutlich höheren Rdson-Wert bei 3,3 V (oder befinden sich immer noch im Konstantstrombereich) und werden dadurch überhitzt.
Jason S