É seguro dirigir um MOSFET a partir de um pino de saída de um microcontrolador?

25

Eu usei BJTs disponíveis como o 2N2222 e 2N3904 como comutadores, operando-os no "modo de saturação" do meu MCU. Acredito, no entanto, que para esses tipos de aplicativos, um MOSFET é um dispositivo mais apropriado. Eu tenho algumas perguntas, no entanto.

1) Um MOSFET tem um "modo de saturação" como o BJT? Essa "saturação" é obtida simplesmente fornecendo uma tensão suficientemente alta na base para que o MOSFET esteja completamente "ligado"?

2) É seguro dirigir o MOSFET diretamente do MCU? Entendo que o portão do MOSFET se comporta como um capacitor e, portanto, consome alguma corrente enquanto "carrega" e depois nenhuma. Essa corrente de carga é alta o suficiente para danificar o pino do MCU? Ao colocar um resistor em série com o gate, posso proteger o pino, mas isso diminuirá a velocidade do interruptor, resultando possivelmente em alta dissipação de calor pelo MOSFET?

3) O que é um MOSFET "hobby" comum adequado para várias situações de baixa potência? IE, qual é o MOSFET equivalente a um 2N2222 ou 2N3904?

microcontroller mosfet Marca
fonte
11
"mais apropriado" parece bobagem para mim. Normalmente, os BJTs são mais baratos, então eu usaria um FET apenas se um BJT não funcionasse.
starblue
11
Eu geralmente fiz o oposto: use um MOSFET, a menos que eu precise de um BJT. Ambos são baratos. A energia desperdiçada pelo R_DSON de um MOSFET é geralmente menor que a do V_CESAT de um BJT. Você paga apenas energia para alternar um MOSFET, não para mantê-lo ligado, o que reduz a dissipação de energia no transistor e na parte que o aciona, principalmente se a comutação for pouco frequente. MOSFETs geralmente vão até o trilho, porque não há V_CESAT. A desvantagem é que um MOSFET não puxa uma quantidade constante de corrente por toda a borda, pois parece um resistor; isso diminui a comutação de uma carga capacitiva.
Mike DeSimone

Respostas:

14

Muitos MOSFETs de potência requerem uma alta tensão de portão para cargas de alta corrente, para garantir que eles estejam totalmente ligados. Existem alguns com entradas no nível lógico, no entanto. As folhas de dados podem ser enganosas, geralmente fornecem a tensão de porta para corrente de 250 mA na primeira página e você acha que elas precisam de 12V para 5A, digamos.

É uma boa idéia colocar um resistor no terra, se um MOSFET for acionado por uma saída MCU. Os pinos do MCU geralmente são entradas na redefinição e isso pode fazer com que o portão flutue momentaneamente, talvez ligando o dispositivo, até que o programa comece a funcionar. Você não danificará a saída do MCU conectando-a diretamente a uma porta MOSFET.

O BS170 e o 2N7000 são aproximadamente equivalentes aos BJTs que você mencionou. O Zetex ZVN4206ASTZ possui uma corrente de drenagem máxima de 600 mA. Eu não acho que você encontrará um pequeno MOSFET que pode ser acionado a partir de 3.3V.

Leon Heller
fonte
o 2N7000 tem uma corrente máxima de 200mA, enquanto o 2N2222 tem uma corrente máxima de ~ 600mA. existe algo naquele bairro que seja fácil de dirigir com um MCU de 3,3v?
Mark
11
@ Mark Barely. É como passar acima da tensão limite em um BJT. Infelizmente com o MOSFET você não tem a característica exponencial.
JPC
11
Conduzo MOSFETs de pacote SC-70 com 1,8 V no trabalho há anos. O primeiro parâmetro a verificar é V_GS (th), como Mark observou. É aproximadamente equivalente a V_IH para uma entrada CMOS se n-channel ou V_IL para um canal p. Em outras palavras, passe além desse valor. Procurando um equivalente 2222, encontrou o AO3422 (Digi-Key 785-1015-1-ND). 55V, 2.1A, SOT-23, V_GS (th) de 2,0 V máx, 1,3 V tipo, r_DSON de 130 mOhms a 3,3 V. Custa o mesmo que o P2N2222AG. Para uma carga de 500 mA, o 2222 possui V_CESAT = 1,0 V (500 mW dissipado) e o AO3422 possui um V_DS = 0,065 V (32,5 mW dissipado). Os FETs ficam frios.
Mike DeSimone 04/04
3
O que deve ser lembrado ao comprar MOSFETs não é o limite prematuro de V_DS ou I_D ao pesquisar! Esses números são muito maiores para os FETs do que você costuma ver nos BJTs, dada uma determinada carga acionada. Observe como o AO3422 (V_DS = 55 V, I_D = 2,1 A) é muito maior do que as especificações do 2N2222 semelhante (V_CE = 50 V, I_C = 0,8 A); isto é devido à eficiência! O motivo pelo qual você não vê "MOSFETs típicos" como os BJTs ou diodos (1N4148 etc.) é que os MOSFET surgiram mais tarde, quando havia mais empresas produzindo-os e havia muito menos motivo para copiar as peças padrão dos concorrentes .
quer
2
@MikeDeSimone: "O primeiro parâmetro a ser verificado é V_GS (th), como Mark observou. É aproximadamente equivalente a V_IH para uma entrada CMOS se n-channel ou V_IL para um canal p. Em outras palavras, passe além desse valor. " Não não não. Tudo que V_GS (th) significa é que você ultrapassa uma corrente especificada. O MOSFET não é considerado "ativado" até que o dispositivo tenha um comportamento completamente resistivo em um intervalo especificado de correntes. Isso requer voltagem mais alta que V_GS (th) e geralmente não é especificado até as especificações Rdson garantidas, em algum lugar na faixa de 4,5V-10V (às vezes em voltagens mais baixas).
Jason S
11

É seguro - em geral - e funcionará se você selecionar um MOSFET de "nível lógico". Observe que "nível lógico" não parece ser um termo exatamente padronizado e não aparecerá necessariamente como parâmetro na pesquisa paramétrica nos sites dos fornecedores, nem necessariamente aparecerá na folha de dados. No entanto, você verá que os MOSFETs no nível lógico costumam ter um "L" no número da peça, por exemplo: IR540 (nível não lógico) vs. IRL540 (nível lógico). O importante é procurar na planilha de dados e verificar o valor do VGS (limite) e ver o gráfico que mostra o fluxo atual versus o VGS. Se o VGS (limite) for igual a 1,8V ou 2,1V, e o "joelho da curva" no gráfico estiver em torno de 5 volts, você basicamente terá um MOSFET de nível lógico.

Para um exemplo de como são as especificações em um MOSFET no nível lógico, consulte esta folha de dados:

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

A Figura 3 é o gráfico ao qual eu estava me referindo.

Tudo isso dito, vejo que muitas pessoas ainda recomendam o uso de um opto-isolador entre o microcontrolador e o MOSFET, apenas para ser mais seguro.

mindcrime
fonte
7

Re: saturação: sim, mas não é confundidamente chamado de saturação (que realmente corresponde à região linear nos transistores bipolares). Em vez disso, observe as planilhas de dados e o Rdson de resistência nominal, que é especificado com uma certa tensão de porta-fonte para cada peça. Os MOSFETs geralmente são especificados em um ou mais dos seguintes: 10V, 4.5V, 3.3V, 2.5V.

Eu colocaria dois resistores no circuito: um do portão ao terra, como Leon mencionou (na verdade, eu o colocaria da saída do MCU ao terra) e outro entre a saída do MCU e o portão, para proteger o MCU no circuito. caso o MOSFET tenha uma falha.

Mais discussão sobre esta entrada do blog .

Quanto ao MOSFET a usar, não há realmente um paralelo ao 2N3904 / 2N2222.

2N7000 é provavelmente o FET mais comum e mais barato disponível no mercado. Para outros FETs de geléia, eu consideraria Fairchild FDV301N, FDV302P, FDV303N, FDV304P.

Para o próximo passo (nível de potência mais alto), eu observaria o IRF510 (100V) ou IRFZ14 (60V), ambos no TO-220, embora esses sejam FETs básicos especificados na fonte de porta de 10V. Os FETs no nível lógico (IRL510, IRLZ14) têm Rdson especificado na fonte de porta de 4.5V.

Jason S
fonte
7
O resistor do pino do MCU ao gate também é usado para diminuir a velocidade da borda de comutação, reduzir o toque, o overshoot e a EMI. 10 ohms é um valor típico.
Mike DeSimone
0

Em resposta à pergunta 3, encontrei o Fairchild FQP30N06L é ideal para acionar um dispositivo de alta potência de um MCU em níveis lógicos. Não é barato (0,84 GPB), mas ótimo para n00bs preguiçosos como eu. Estou usando-os para fornecer tiras de luz LED de 12V RGB.

Algumas estatísticas:

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

Portanto, o 3.3p do Raspberry Pi está acima do limiar de porta superior de 2.5V, o que garantirá que o dreno esteja totalmente aberto.

Alastair McCormack
fonte
Não conduza isso diretamente de um MCU. O tempo de ativação / desativação será muito longo devido às capacitâncias do gate e você não estará protegendo o MCU de nenhuma falha.
Jason S
Mais seriamente, apenas porque 3.3V está acima do limite do portão, isso não significa que o switch está totalmente ligado. Tudo isso significa que é garantido que a corrente esteja acima de um determinado limite (250uA para o FQP30N06L). O FQP30N06L foi projetado para ser acionado a partir de tensões de pelo menos 5V, que é a tensão mínima especificada na resistência. Qualquer que seja menor que isso, e você não tem garantias de qualquer comportamento do dispositivo além da corrente de 250uA do limite de Vgs.
Jason S
Oi JasonS, perdoe minha ignorância. Não vejo nas especificações onde 5V é dado no mínimo. Os dados do gráfico mostram que ~ 3.3V no portão permite> 10A no dreno a 25V, o que é ideal para meus propósitos (5A a 12V). Para proteção, coloquei um resistor de 10KΩ entre o Gate e o Ground e pretendo colocar um resistor de tamanho semelhante entre o pino do MCU e o Gate. Isso será suficiente?
Alastair McCormack
"Os dados do gráfico mostram ..." Os dados do gráfico de caracterização em uma folha de dados são quase sempre uma representação do desempenho típico , não na pior das hipóteses. Em outras palavras, é o comportamento médio, não extremo, e você não pode confiar que ele seja válido para todos os dispositivos. A razão pela qual eles incluem isso é que o comportamento relativo (a corrente aumenta com o aumento da tensão do portão e o aumento da tensão do dreno) é universal ... você simplesmente não pode confiar nos números.
Jason S
11
Veja a página 2 ("Sobre as características") - fornece duas especificações para Rdson com Vgs = 10V (35mohm máx) e Vgs = 5V (45 mohm máx). No que diz respeito à proteção ... bem, consulte o meu artigo embeddedrelated.com/showarticle/77.php - o resistor de pulldown pode ser bastante alto, geralmente 100K - 1M é bom. Mas você realmente precisa de um circuito de acionamento de porta a partir da lógica de 3.3V. Ele não possui a voltagem necessária para garantir que o FQP30N06L seja ligado. Alguns dispositivos podem ter um Rdson um pouco maior em 3,3V (ou ainda estar na faixa de corrente constante) e superaquecer como resultado.
Jason S