¿Es seguro conducir un MOSFET desde un pin de salida de un microcontrolador?

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He utilizado BJT comúnmente disponibles, como el 2N2222 y el 2N3904 como conmutadores, operandolos en "modo de saturación" desde mi MCU. Sin embargo, creo que para este tipo de aplicaciones, un MOSFET es un dispositivo más apropiado. Sin embargo, tengo algunas preguntas.

1) ¿Tiene un MOSFET un "modo de saturación" como el BJT? ¿Se logra esta "saturación" simplemente proporcionando un voltaje suficientemente alto en la base para que el MOSFET esté completamente "encendido"?

2) ¿Es seguro conducir el MOSFET directamente desde la MCU? Entiendo que la puerta del MOSFET se comporta como un condensador y, por lo tanto, consume algo de corriente mientras se "carga", y luego nada. ¿Es esta corriente de carga lo suficientemente alta como para dañar el pin MCU? Al colocar una resistencia en serie con la puerta, puedo proteger el pin, pero esto ralentizará el interruptor, lo que posiblemente provocará una gran disipación de calor por parte del MOSFET.

3) ¿Qué es un MOSFET "aficionado" común adecuado para diversas situaciones de baja potencia? IE, ¿cuál es el MOSFET equivalente a un 2N2222 o 2N3904?

microcontroller mosfet marca
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"más apropiado" me parece tonto. Por lo general, los BJT son más baratos, por lo que usaría un FET solo si un BJT no funciona.
starblue
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En general, he hecho lo contrario: usar un MOSFET a menos que necesite un BJT. Los dos son baratos. La energía desperdiciada por un R_DSON de un MOSFET es usualmente menor que la de un V_CESAT de un BJT. Solo paga energía para cambiar un MOSFET, no para mantenerlo encendido, lo que reduce la disipación de energía tanto en el transistor como en la parte que lo acciona, especialmente si el cambio es infrecuente. Los MOSFET generalmente van hasta el riel porque no hay V_CESAT. La desventaja es que un MOSFET no atrae una cantidad constante de corriente a través de todo el borde, ya que parece una resistencia; esto ralentiza la conmutación de una carga capacitiva.
Mike DeSimone

Respuestas:

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Muchos MOSFET de potencia requieren un alto voltaje de compuerta para cargas de alta corriente, para garantizar que estén completamente encendidos. Sin embargo, hay algunos con entradas de nivel lógico. Las hojas de datos pueden ser engañosas, a menudo dan el voltaje de la puerta para una corriente de 250 mA en la página principal, y descubres que necesitan 12V para 5A, por ejemplo.

Es una buena idea poner una resistencia a tierra en la puerta si un MOSFET es impulsado por una salida MCU. Los pines MCU generalmente son entradas en el reinicio, y esto podría hacer que la puerta flote momentáneamente, quizás encendiendo el dispositivo, hasta que el programa comience a ejecutarse. No dañará la salida MCU conectándola directamente a una puerta MOSFET.

El BS170 y el 2N7000 son aproximadamente equivalentes a los BJT que mencionó. El Zetex ZVN4206ASTZ tiene una corriente de drenaje máxima de 600 mA. Sin embargo, no creo que encuentre un pequeño MOSFET que se pueda manejar desde 3.3V.

Leon Heller
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El 2N7000 tiene una corriente máxima de 200 mA, donde el 2N2222 tiene una corriente máxima de ~ 600 mA. ¿Hay algo en ese vecindario que sea fácil de manejar con una MCU de 3.3v?
Mark
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@Mark Barely. Es como simplemente pasar por encima del umbral de voltaje en un BJT. Desafortunadamente con el MOSFET no tienes la característica exponencial.
jpc
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He estado manejando MOSFET de paquete SC-70 con 1.8 V en el trabajo durante años. El primer parámetro para verificar es V_GS (th), como señaló Mark. Es más o menos equivalente a V_IH para una entrada CMOS si n canal, o V_IL para un canal p. En otras palabras, la unidad más allá de ese valor. Buscando un equivalente 2222, encontré el AO3422 (Digi-Key 785-1015-1-ND). 55V, 2.1A, SOT-23, V_GS (th) de 2.0 V máx, 1.3 V típico, r_DSON de 130 mOhms a 3.3 V. Cuesta lo mismo que el P2N2222AG. Para una carga de 500 mA, el 2222 tiene V_CESAT = 1.0 V (500 mW disipado), y el AO3422 tiene un V_DS = 0.065 V (32.5 mW disipado). Los FET se enfrían .
Mike DeSimone
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¡Lo que debe recordar al comprar MOSFET no es limitar prematuramente el V_DS o el I_D al buscar! Estos números son mucho más altos para los FET de lo que está acostumbrado a ver para los BJT dada una determinada carga impulsada. Observe cómo el AO3422 (V_DS = 55 V, I_D = 2.1 A) es mucho más alto que las especificaciones para el 2N2222 similar (V_CE = 50 V, I_C = 0.8 A); ¡Esto se debe a la eficiencia! La razón por la que no ve "MOSFET típicos" como lo hace para BJT o diodos (1N4148, etc.) es que los MOSFET aparecieron más tarde, cuando había más compañías que los fabricaban, y había mucho menos motivo para copiar las piezas estándar de los competidores. .
Mike DeSimone
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@MikeDeSimone: "El primer parámetro para verificar es V_GS (th), como Mark señaló. Es más o menos equivalente a V_IH para una entrada CMOS si el canal n, o V_IL para un canal p. En otras palabras, pase ese valor. " No no no. Todo lo que V_GS (th) significa es que superas una corriente específica. El MOSFET no se considera "encendido" hasta que el dispositivo tenga un comportamiento completamente resistivo en un rango específico de corrientes. Esto requiere un voltaje más alto que V_GS (th), y generalmente no se especifica hasta las especificaciones garantizadas de Rdson, en algún lugar en el rango de 4.5V-10V (a veces a voltajes más bajos).
Jason S
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Es seguro, en general, y funcionará si selecciona un MOSFET de "nivel lógico". Tenga en cuenta que "nivel lógico" no parece ser un término exactamente estandarizado, y no necesariamente aparecerá como un parámetro en la búsqueda paramétrica en los sitios de los proveedores, ni necesariamente aparecerá en la hoja de datos. Sin embargo, encontrará que los MOSFET de nivel lógico a menudo tienen una "L" en el número de pieza, por ejemplo: IR540 (nivel no lógico) frente a IRL540 (nivel lógico). Lo importante es mirar en la hoja de datos y verificar el valor de VGS (umbral) y mirar el gráfico que muestra el flujo actual frente a VGS. Si el VGS (umbral) es como 1.8V o 2.1V más o menos, y la "rodilla de la curva" en el gráfico es de alrededor de 5 voltios, básicamente tiene un MOSFET de nivel lógico.

Para ver un ejemplo de cómo se ven las especificaciones en un MOSFET de nivel lógico, consulte esta hoja de datos:

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

La figura 3 es el gráfico al que me refería.

Dicho todo esto, veo que muchas personas todavía recomiendan usar un optoaislador entre el microcontrolador y el MOSFET, solo para estar más seguros.

crimen mental
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Re: saturación: sí, pero confusamente no se llama saturación (que en realidad corresponde a la región lineal en los transistores bipolares). En su lugar, mire las hojas de datos y el Rdson de resistencia de encendido nominal, que se especifica a un cierto voltaje de fuente de puerta para cada parte. Los MOSFET generalmente se especifican en uno o más de los siguientes: 10V, 4.5V, 3.3V, 2.5V.

Pondría dos resistencias en el circuito: una desde la puerta a tierra, como Leon ha mencionado (en realidad, la pondría desde la salida de MCU a tierra), y otra entre la salida de MCU y la puerta, para proteger la MCU en caso el MOSFET tiene una falla.

Más discusión sobre esta entrada de blog .

En cuanto a qué MOSFET usar, realmente no hay un paralelo con el 2N3904 / 2N2222.

2N7000 es probablemente el FET más común y más barato que existe. Para otros FET jellybean, miraría Fairchild FDV301N, FDV302P, FDV303N, FDV304P.

Para el siguiente paso (nivel de potencia más alto), miraría IRF510 (100V) o IRFZ14 (60V), ambos en TO-220, aunque estos son FET básicos especificados en una fuente de puerta de 10V. Los FET de nivel lógico (IRL510, IRLZ14) tienen Rdson especificado en la fuente de compuerta de 4.5V.

Jason S
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La resistencia del pin MCU a la compuerta también se usa para reducir la velocidad del borde de conmutación, para reducir el timbre, el sobreimpulso y la EMI. 10 ohmios es un valor típico.
Mike DeSimone
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En respuesta a la pregunta 3, encontré el Fairchild FQP30N06L es ideal para conducir un dispositivo de alta potencia desde una MCU a niveles lógicos. No es barato (0,84 GPB) pero es ideal para n00bs perezosos como yo. Los estoy usando para suministrar tiras de luz LED RGB de 12V.

Algunas estadísticas:

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

Por lo tanto, el 3.3v de Raspberry Pi está por encima del umbral de puerta superior de 2.5V, lo que asegurará que el drenaje esté completamente abierto.

Alastair McCormack
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No conduzca esto directamente desde un MCU. El tiempo de encendido / apagado será muy largo debido a las capacidades de la puerta, y no está protegiendo la MCU de ninguna falla.
Jason S
Más en serio, solo porque 3.3V está por encima del umbral de la puerta, eso no significa que el interruptor esté completamente encendido. Todo lo que significa es que la corriente está garantizada por encima de un umbral determinado (250uA para el FQP30N06L). El FQP30N06L está diseñado para funcionar con voltajes de al menos 5 V, que es el voltaje mínimo que especifican en la resistencia de encendido. Algo más bajo que eso, y no tiene garantías de comportamiento del dispositivo más allá de la corriente de 250 uA del umbral Vgs.
Jason S
Hola JasonS, perdona mi ignorancia. No veo en las especificaciones donde se dan 5V como mínimo. Los datos del gráfico muestran que ~ 3.3V en la puerta permite> 10A en el drenaje a 25V, lo cual es ideal para mis propósitos (5A a 12V). Para protección, coloqué una resistencia de 10KΩ entre Gate y Ground e intento colocar una resistencia de tamaño similar entre el pin MCU y Gate. ¿Será esto suficiente?
Alastair McCormack
"Los datos del gráfico muestran ..." Los datos del gráfico de caracterización en una hoja de datos son casi siempre una representación del rendimiento típico , no el peor de los casos. En otras palabras, es el comportamiento malo, no el extremo, y no puede confiar en que sea válido para todos los dispositivos. La razón por la que lo incluyen es que el comportamiento relativo (la corriente aumenta con el aumento del voltaje de la puerta y el aumento del voltaje de drenaje) es universal ... simplemente no puede confiar en los números.
Jason S
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Mire la página 2 ("Características"): le ofrece dos especificaciones para Rdson con Vgs = 10V (35mohm máx.) Y Vgs = 5V (45 mohm máx.). En cuanto a la protección ... bueno, vea mi artículo embeddedrelated.com/showarticle/77.php : la resistencia pulldown puede ser bastante alta, por lo general, 100K - 1M está bien. Pero realmente necesita un circuito de control de puerta con lógica de 3.3V. No tiene el voltaje necesario para garantizar que el FQP30N06L esté encendido. Algunos dispositivos pueden tener un Rdson bastante más alto a 3.3V (o aún pueden estar en el rango de corriente constante) y como resultado se sobrecalientan.
Jason S