FET: el transistor amigable y eficiente

Si alguna vez trabaja con un circuito que controla una cantidad decente de corriente, a menudo encontrará un FET, un transistor de efecto de campo. Ya sea que desee controlar un par de LED potentes, encender y apagar un dispositivo USB o impulsar un motor, en algún lugar de la imagen, generalmente hay un FET haciendo el trabajo pesado. Es posible que no esté familiarizado con el funcionamiento de un FET, cómo usarlo y cuáles son las advertencias: repasemos los conceptos básicos.

Aquí hay un circuito FET simple que le permite cambiar la energía a, digamos, un puerto USB, como una válvula que interrumpe el flujo de corriente. Este circuito utiliza un P-FET: para encender, abrir el FET bajando la señal GATE al nivel del suelo y, para apagarlo, cerrar el FET volviendo a subir la GATE, donde la resistencia lo mantiene por defecto. . Si desea controlarlo desde una MCU de 3,3 V que no puede manejar el voltaje del lado alto en sus pines, puede agregar una sección de transistor NPN como se muestra; esto invierte la lógica, convirtiéndolo en un "alto = encendido" más intuitivo. , low=off", ¡y ya no te arriesgas a un GPIO!

Este circuito se denomina interruptor de lado alto: le permite alternar la energía a un dispositivo a voluntad a través de un FET. Es el caso de uso más popular para un FET, y si se pregunta más acerca de los interruptores de lado alto, le recomiendo este brillante artículo de nuestro propio [Bil Herd], donde le muestra los conceptos básicos de los interruptores de lado alto de una manera simple y clara. forma. Para este artículo, puede usar este esquema como referencia de cómo se usan típicamente los FET en un circuito.

Hay diferentes tipos de FET: MOSFET, JFET y algunas docenas menos populares pero aún abundantes. Cuando se habla de un FET, la gente generalmente se refiere a un MOSFET, y de eso también se hablará en este artículo: otros tipos no son tan populares para los propósitos habituales de los piratas informáticos y, para empezar, no sé mucho sobre los JFET. . Sin embargo, todos son transistores de efecto de campo, hermanos del otro tipo de transistor que abunda: los BJT (transistor de unión bipolar), lo suficientemente populares como para referirnos a ellos como transistores NPN o PNP. Todos estos están bajo el paraguas de los transistores, pero cuando las personas dicen "transistor", generalmente se refieren a BJT, y cuando las personas dicen "FET", generalmente se refieren a "MOSFET".

Puede imaginar un FET como una resistencia que puede controlar, y su resistencia puede ser tan baja como una fracción de un ohmio (abierto) o una resistencia infinitamente alta para el propósito de su diseño (cerrado). Abres el FET cargando y descargando su puerta; en su forma más simple, puedes imaginar la puerta como un capacitor. Para resumir, un FET es un transistor que actúa como un resistor, con un capacitor incorporado para controlar la resistencia del FET.

¡Esto hace que los FET sean excepcionalmente maravillosos para cosas como la conmutación de rieles de alimentación! Al controlar el riel de alimentación de un dispositivo con un BJT, una caída de voltaje de al menos 0,3 V es inevitable debido a la forma en que funcionan los BJT: como resultado, se desperdicia energía en calor y no se pueden usar dispositivos digitales donde el voltaje de suministro es importante. Sin embargo, un FET en la misma aplicación será solo una resistencia de sub-ohmios en línea, eficiente y amigable. Esta es la razón principal por la que los FET se utilizan para aplicaciones de conmutación de energía y, como resultado, verá FET en todo tipo de lugares.

Ahora, un FET no pasa instantáneamente de "completamente abierto" a "completamente cerrado", al igual que con los BJT que todos conocemos y amamos, también hay estados intermedios, donde la resistencia no es tan baja como la del FET, pero tampoco es infinito: el FET está parcialmente abierto o, en otras palabras, en su región lineal. Puede alcanzar la región lineal aplicando un tipo de voltaje casi abierto pero no del todo a la compuerta, y al aprovechar esto, puede construir un amplificador, una carga electrónica o un controlador de corriente constante para algunos LED. Sin embargo, para fines de conmutación, un FET en la región lineal es algo que debe evitar: una alta resistencia significa grandes pérdidas y la necesidad de disipar ese calor de alguna manera.

Debido a la forma en que se construyen los FET, cada FET tiene un diodo incorporado, conocido como "diodo de cuerpo". No puede evitar este diodo, está ahí para quedarse; solo puedes dar cuenta de su existencia cuando conectas las cosas. Si un diodo no es deseable, una forma de evitarlo es colocando dos FET uno al lado del otro. Así es como funcionan los circuitos de protección de la batería LiIon: deben proteger la batería de una descarga excesiva cerrando la corriente que sale, pero también necesitan protegerla de la sobrecarga cerrando la corriente que entra y poniendo dos FET en serie con los diodos uno frente al otro es una forma de lograrlo. Si observa un BMS de batería de iones de litio de mayor corriente, inevitablemente encontrará dos FET conectados así, ¡o incluso dos filas de FET en paralelo!

¿Cómo funciona realmente un FET a nivel físico, sin las simplificaciones? Aquí hay un video de [Thomas Schwenke] sobre FET específicamente, y también uno de [EEVblog] que habla sobre BJT y FET. También hay innumerables materiales de aprendizaje y ejemplos en línea, como este hermoso GIF de Wikipedia. No necesitas saber esto exactamente, pero podría ayudar, ¡y también es absolutamente fascinante!

Para abrir un FET, debe aplicar un voltaje a la puerta que exceda el umbral Vgs del FET y no exceda el valor Vgs (máx.). Ambos se encuentran en la hoja de datos, por supuesto. Cuidado: Vgs en la hoja de datos (¡y en los recolectores de piezas de minoristas en línea!) a menudo se proporciona para un valor aceptable de resistencia, pero no para la resistencia más baja que el FET puede lograr, por lo que querrá verificar el Vgs-a-resistencia gráfico en la hoja de datos. Ahora, en Vgs, G significa puerta y S significa fuente: el tercer pin es drenaje; una vez que se abre el FET, la corriente fluye de la fuente al drenaje. Por supuesto, el voltaje de control de la puerta también debe suministrarse en relación con la fuente.

Al igual que con los transistores NPN y PNP, existen N-FET y P-FET. Los N-FET son como los transistores NPN: el pin de la puerta debe tener un voltaje más alto que el pin de la fuente para que se abra el FET. Los P-FET también son como los transistores PNP: el pin de la puerta de un P-FET debe tener un voltaje más bajo que el pin de la fuente, por supuesto, excediendo Vgs; en las hojas de datos de P-FET, Vgs se muestra como un número negativo, digamos, "-1.7 V". Como habrá notado, es más fácil usar P-FET para la conmutación del lado alto y N-FET para la conmutación del lado bajo; siempre que su Vgs sea más pequeño que el voltaje del riel de alimentación, no tiene que salir de el rango de voltajes disponibles dentro de su circuito.

Ahora, cuando conecte un FET, recuerde el diodo del cuerpo: si usa un FET para la conmutación de carga y lo conecta de manera incorrecta mezclando la fuente y el drenaje, su dispositivo siempre se alimentará a través del diodo del cuerpo, sin importar si el FET está abierto o no. Por otro lado, consultar la hoja de datos para el pinout eliminará este problema, y ​​al dibujar el esquema, el símbolo FET a menudo tendrá el diodo dibujado dentro o, al menos, una flecha que sale del mismo pin.

En cuanto a la denominación, es fácil de recordar: al realizar la conmutación del lado alto con P-FET o la conmutación del lado bajo con N-FET, conecta su fuente de alimentación al pin de fuente, riel positivo en el caso de un P-FET o el riel negativo en el caso de un N-FET. ¡Incluso si necesita un FET para un propósito diferente, este mnemotécnico en particular puede recordarle desde qué pin va el diodo del cuerpo! P-FET, fuente positiva. N-FET, fuente negativa.

Una vez que tienes un FET, hay algunas formas de ponerlo en un circuito. Si está cambiando un riel de alimentación de 3.3 V y su microcontrolador es de 3.3 V, también podría controlar el FET directamente con un GPIO; mientras que cargar la puerta de un FET no siempre es compatible con GPIO, la capacitancia de la puerta no será mucho de una carga en tu GPIO a pequeña escala, por lo que es un buen atajo en proyectos de hackers; si le preocupa, puede agregar una resistencia en serie entre la puerta y GPIO, digamos, 100 Ω. También es muy popular manejar N-FET de conmutación de lado bajo con un GPIO, ¡tal como lo hacemos con los transistores NPN!

Sin embargo, si sus voltajes no coinciden, por ejemplo, está controlando una carga de 12 V con un P-FET y un GPIO de 3,3 V, hay otra forma mucho más popular que ha visto en nuestro primer esquema de ejemplo. – use otro FET o BJT para jalar la compuerta en una dirección y una resistencia para jalarla en otra; Si necesita mantener sus Vgs dentro de un cierto rango, simplemente agregue una resistencia adicional entre la puerta y el transistor de control para formar un divisor de voltaje.

Esto es súper útil, pero no perfecto. La compuerta es un capacitor, por lo que cargarla o descargarla a través de una resistencia llevará más tiempo que hacer lo contrario con un transistor, por lo que la dirección impulsada por la resistencia pasará más tiempo en la región lineal. Esto no es un gran problema para encender y apagar cargas de vez en cuando, pero te molestará si decides hacer PWM de mayor frecuencia; por ejemplo, estás manejando LED o controlando la velocidad de un motor, con la inductancia del motor desordenada. las cosas aún más. Ahí es donde entran los controladores FET: es un pequeño chip que tiene una etapa push-pull en su interior que lo ayuda a controlar la puerta con fuerza a pesar de la capacitancia y también a mantener Vgs dentro de un rango aceptable. Más o menos, conecte su GPIO de control a un lado del chip, la puerta de su FET a otro, siga la hoja de datos del controlador de la puerta y estará listo.

Por supuesto, los FET tienen sus limitaciones y matices: hay una miríada de FET en paquetes SOT23 que tienen el mismo aspecto, pero solo algunos de ellos se mantendrán al día cuando necesite conducir unos pocos metros de una tira de LED. Los parámetros más importantes son la corriente y el voltaje máximos de la fuente de drenaje; estos definen el tipo de carga que puede manejar con un FET. Si desea manejar una carga de 12 V / 3 A, sería conveniente elegir un FET de 20 V / 4 A Vds/Ids, y si es de 3,3 V / 1 A, lo habitual es un FET de 12 V / 3 A. elección. Ah, y el diodo del cuerpo puede parecer extremadamente conveniente, digamos, si está cambiando cargas inductivas, ya que disiparía algunos de los EMF inversos que podría obtener el FET; sin embargo, no confíe demasiado en él, si lo necesita. un diodo, agregar un diodo adicional en paralelo es una mejor manera.

¿Ha encontrado algunos FET agradables y baratos, o tal vez tiene algunos buenos en su escondite, pero están un poco cortos en la corriente máxima que pueden manejar? Buenas noticias: ¡a menudo puede poner FET similares en paralelo para aumentar la capacidad de corriente máxima! A diferencia de los diodos, la mayoría de los FET tienen un coeficiente térmico positivo: a medida que fluye más corriente a través de un FET y su temperatura aumenta, su resistencia también aumenta, lo que da como resultado que los FET en paralelo se equilibren entre sí, incluso si sus parámetros no son perfectamente iguales. Ni siquiera necesita tener circuitos de conducción separados, solo FET paralelos juntos, los tres pines agrupados, y funcionará.

El pin de la puerta es más delicado que el drenaje y la fuente; por ejemplo, es bastante sensible a ESD, y algunos FET incluso tienen diodos de protección ESD incorporados, conectados entre la puerta y la fuente. A diferencia de los transistores BJT que necesitan un flujo de corriente constante, solo necesita cargar una puerta una vez para que el FET permanezca abierto durante un rato, y es una cantidad de carga tan pequeña que a menudo puede cargar literalmente la puerta de un FET simplemente tocando con el dedo, si la puerta no se tira activamente en ninguna dirección. ¿Ves la resistencia R1 en el circuito de introducción? Mantiene la compuerta descargada y el FET cerrado a menos que no se esté abriendo activamente; sin esta resistencia, el FET no se cerraría por sí solo y sería susceptible a todo tipo de ruido. A menos que esté utilizando un controlador de puerta, definitivamente querrá una resistencia de fuente de puerta.

Además, en general, el umbral máximo de Vgs es mucho más bajo que el umbral de Vds; por ejemplo, para un FET Vds de 30 V, no es raro ver que el Vgs máximo sea de 12 V más o menos; excédalo y es muy probable que el FET falle. Digamos que está cambiando 20 V con tal P-FET, en la configuración habitual de conmutación de lado alto, y obtiene buenos Rds (resistencia de fuente de drenaje) a -6 V; querrá mantener la puerta en alrededor de 12 V. Nuevamente, la forma más fácil de hacerlo es un divisor de voltaje, ¡y la resistencia de tracción de la puerta encajará muy bien en la imagen!

Cuando falla un FET, por lo general falla en cortocircuito; esto es bastante malo si confía en el FET para algo crítico, pero si hay una ventaja, es que es bastante fácil de depurar cuando su FET ha fallado. Algunos productos, como el Pinecil, usan dos FET en serie para protegerse aún más de tales problemas; de hecho, que la punta de un soldador se caliente sin control es malo para sus clientes. Otros productos solo usan un único FET y no se molestan: las fallas son en general raras.

Hablando del Pinecil, utiliza un circuito de conducción poco ortodoxo: tiene un transistor NPN, pero su base se controla a través de un condensador, de modo que solo pasa el componente de CA de la señal de conducción. Como resultado, si la MCU principal se bloquea y el GPIO de control se atasca alto, ¡el FET no permanecerá habilitado!

¿Le gustaría aprender más en profundidad sobre los FET? Hay mucha información en línea. Por ejemplo, esta nota de la aplicación TI sobre la conducción de FET es maravillosa. Aquí en Hackaday, también hemos echado un vistazo a los FET en algunos contextos diferentes: lógica CMOS, conmutación de alto voltaje, suministro de piezas y disputas generales de transistores, además de cubrir algunas guías introductorias.

Por supuesto, ¡hay muchas más cosas divertidas para aprender sobre los FET! La próxima vez, pasemos de fragmentos esquemáticos a usos del mundo real. Quiero mostrarles un montón de circuitos geniales que usan FET de formas tal vez menos convencionales; desde la protección de polaridad inversa hasta los circuitos de arranque suave y el cambio de nivel, hay una serie de propósitos que un FET podría tener en su placa. ¡Ah, y habrá recomendaciones de números de pieza, consejos para seleccionar piezas y algunas curiosidades de FET que pueden resultarle útiles para sus viajes de piratería y para completar su mapa mental de FET!