FET : Amusez-vous ensemble

La dernière fois, nous avons examiné les bases, les détails, les nuances et les mises en garde du FET. Cependant, les bases ne sont pas tout ce qu'il y a aux FET - passons en revue les utilisations du monde réel, dans toute leur merveilleuse variété ! Je veux vous montrer un tas de circuits sympas où un FET convivial, en particulier un MOSFET, peut vous aider - et, en cours de route, j'aimerais également vous présenter quelques FET avec lesquels je pense que vous pourriez tous avoir une bonne amitié à long terme. Si vous ne les connaissez pas déjà, bien sûr !

C'est peut-être l'utilisation la plus populaire d'un transistor NPN - des bobines d'entraînement, comme des relais ou des solénoïdes. Nous sommes assez habitués à piloter des relais avec des BJT, généralement un NPN - mais il n'est pas nécessaire que ce soit un BJT, les FET feront souvent le travail tout aussi bien ! Voici un N-FET, utilisé dans la même configuration qu'un BJT typique, sauf qu'au lieu d'une résistance de limitation de courant de base, nous avons une résistance grille-source - vous ne pouvez pas tout à fait souder le BJT et souder le FET après avoir conçu la carte, mais c'est un remplacement assez transparent sinon. La diode de roue libre (protection contre les champs électromagnétiques) est toujours nécessaire lorsque vous commutez le relais et que la bobine produit des tensions loufoques en signe de protestation, mais bon, tous les aspects ne peuvent pas être supérieurs.

La raison pour laquelle vous pouvez le piloter de la même manière est assez simple : dans le circuit NPN habituel, le relais est piloté par un GPIO de niveau logique de 3,3 V ou 5 V, et pour les FET à petit signal, c'est bien dans Vgs. Cependant, si votre MCU a des GPIO de 1,8 V et que le Vgs de votre FET ne le coupe pas tout à fait, un transistor NPN est une solution plus avantageuse, car celui-ci fonctionnera tant que vous pourrez fournir le peu de courant et le maigre 0,7 V nécessaire.

Et voici nos deux premiers transistors amis, 2N7002 et BSS138 - ce sont tous les deux des N-FET à petit signal, adaptés exactement à ce genre de travail. Le 2N7002 est une pièce assez classique - vous le verrez souvent partout où un N-FET peut s'adapter. Le BSS138 est très similaire, avec une gamme Rds un peu plus élevée, mais une gamme Vgs un peu inférieure - vous le verrez dans certains schémas Sparkfun ou Adafruit. Vous pouvez en acheter plusieurs en toute sécurité et les utiliser dans vos circuits chaque fois que vous avez besoin d'un petit N-FET que vous pouvez piloter avec un GPIO.

Les petits FET de niveau logique, bien sûr, ne sont pas les seuls - par exemple, si vous avez déjà eu besoin de décaler le niveau de quelques signaux d'avant en arrière, vous avez peut-être utilisé ces petites cartes de "décalage de niveau" avec quatre composants SOT23 dessus. Ces pièces SOT23 sont en fait des FET, et notre [Jenny List] a couvert ce type de levier de vitesses dans son article détaillé sur le changement de niveau. Cette méthode est également peu coûteuse, simple et fonctionnera avec l'écrasante majorité des signaux que vous voudrez jamais changer de niveau - d'autant plus de raisons de faire le plein de N-FET à petits signaux !

Voici le circuit toujours aussi merveilleux qui vous permet de faire une protection contre l'inversion de polarité sans perte avec un FET ! Vous pouvez utiliser l'un ou l'autre type de FET - souvent, un P-FET est utilisé pour cela, car avoir un terrain d'entente ininterrompu a ses avantages, mais un N-FET fonctionnera aussi. Cette méthode de protection contre l'inversion de polarité est bien meilleure que l'utilisation d'une diode en série, car vous ne gaspillez pas autant d'énergie - à 1-2A de consommation d'énergie, une diode peut vous faire gaspiller plus de 1W d'énergie en chaleur.

Si Vgs n'est pas supérieur à votre entrée d'alimentation attendue, tout ce que vous avez à faire est de lier la grille d'un P-FET à la broche négative, de connecter l'entrée d'alimentation à la broche positive et de faire en sorte que la broche de drain soit la sortie. Sinon, si votre tension d'entrée peut dépasser les seuils Vgs ou inverser Vgs, vous devrez ajouter une diode zener et une résistance pour fixer la tension. Ce type de protection contre l'inversion de polarité est bon marché, sans perte et peut absolument sauver vos composants d'une mort ardente.

Bien sûr, à moins que votre circuit ne soit assez basse consommation, vous voudrez aller au-delà des FET à petit signal - qu'en est-il de l'alimentation d'une carte de développement sur laquelle vous travaillez ? Peut-être pourriez-vous même utiliser le même type de FET que vous utiliseriez pour les périphériques de commutation côté haut ? Examinons des FET plus puissants - en particulier, quelques petits mais bons P-FET qui peuvent gérer des courants plus élevés sans transpirer.

Il existe un certain nombre de FET petits mais puissants avec une plage Vgs maximale de 12V à 24V et des Id maximum autour de 2A-4A, qui conviennent à un grand nombre d'occasions. Certains d'entre eux ont une entrée de niveau logique, ce qui signifie généralement des Rds raisonnables à Vgs considérablement inférieurs au haut niveau logique de 3,3 V, c'est-à-dire 1,8 V - si jamais vous avez besoin de basculer l'alimentation vers un module WiFi 3,3 V et que vous voulez le faire avec un GPIO, un tel FET fera l'affaire. D'autres ne se marquent pas comme étant au niveau logique, mais ont des Rds raisonnables à faible Vgs.

Parmi mes P-FET polyvalents à courant plus élevé préférés, j'ai commencé avec IRLML6401 et IRLML6402, et maintenant j'utilise leurs homologues de l'Est, CJ2305 et HX2301A, uniquement parce qu'ils sont moins chers sur LCSC. En ce qui concerne les N-FET de calibre similaire, l'IRLML2502 est excellent et l'AO3400A est un classique des gadgets de fabrication orientale depuis des années. Vous en voulez plus ? Découvrez cet épisode de Ask Hackaday, où les pirates nous ont donné des suggestions sur exactement ce type de FET.

Nous avons tous vu un circuit à deux diodes, vous permettant d'alimenter un circuit à partir d'une entrée d'alimentation CC ou d'une batterie avec une commutation transparente. Cependant, il y a un problème - lorsque vous êtes sur batterie, le fait d'avoir une diode en série vous fera perdre une bonne partie de la tension de sortie, et cela est particulièrement visible lors de l'alimentation d'un circuit de 3,3 V à partir d'une batterie LiIon avec sa plage de tension de 4,2 V à 3 V. Ce circuit enlève la charge de la batterie pendant qu'elle se charge, alimentant la charge à partir de 5V à la place. Bien que la charge soit connectée en permanence à la batterie en parallèle, cela semble fonctionner, mais vous ne voulez pas interférer avec le cycle CC/CV du chargeur.

J'ai mentionné celui-ci dans l'article sur les circuits LiIon, mais il porte encore une fois un point culminant - c'est juste un circuit génial à avoir. Bien sûr, vous voudrez un FET qui correspond à la facture, et les P-FET de niveau logique s'adaptent à merveille à ce circuit. Oh, et dimensionner correctement la résistance peut aider à résoudre les problèmes - vous pouvez opter en toute sécurité pour quelque chose comme 10 kΩ ou même 47 kΩ, mais si votre circuit tombe en panne lors de la déconnexion du chargeur, vous pouvez le baisser jusqu'à 1 kΩ ; une porte FET n'a pas besoin de beaucoup de courant pour rester chargée, après tout.

Gardez à l'esprit - par rapport à l'agencement de commutation côté haut habituel, ce circuit fait tourner le FET, en échangeant le drain et la source afin que 5V n'alimente pas la batterie via la diode du corps. cela fonctionnera néanmoins, en particulier parce que la diode du corps entraîne une tension sur la broche source, mais gardez à l'esprit que le seuil Vgs doit être calculé en soustrayant la chute de la diode du corps de la tension de batterie la plus basse possible - le FET pourrait ne pas s'ouvrir autrement.

Parfois, lorsque vous mettez sous tension un périphérique comme un modem GSM sur sa propre carte de dérivation, avec des condensateurs lourds sur son rail d'alimentation, il va consommer beaucoup de courant et baisser la tension - probablement, avoir votre microcontrôleur en panne et redémarrer. Avec un seul condensateur entre la grille et le drain, vous pouvez ajouter un démarrage progressif primitif à votre circuit basé sur P-FET à commutation côté haut - en faisant en sorte que le FET passe plus de temps dans sa région linéaire lorsqu'il est allumé, en préchargeant les condensateurs avant qu'il ne s'ouvre complètement et en lissant le pic de consommation de puissance. C'est un hack, mais cela résout le problème, et c'est quelque chose que vous pouvez même éviter en post-production.

Voulez-vous en savoir plus? Voici une merveilleuse note d'application d'onsemi, parlant des bases de la commutation de charge avec des FET, abordant à la fois des exemples pratiques et les mathématiques sous-jacentes, ainsi que des cas où vous pourriez vouloir utiliser un commutateur de charge à la place. Oh, et quels seraient-ils, au fait ?

Il est difficile d'égaler à quel point les circuits intégrés peuvent être bien intégrés - une seule puce peut résoudre tous vos problèmes d'une manière qu'une solution à composants discrets pourrait ne jamais être en mesure de résoudre. Par exemple, disons que vous voulez commuter une charge 5V/1.5A, mais vous bénéficierez également d'une protection contre les surintensités. Avec une solution de commutation de charge basée sur FET auto-construite, vous devrez ajouter une résistance de mesure de courant et un amplificateur opérationnel ou un comparateur, à tout le moins. D'autre part, un commutateur de charge comme un SY6280 possède toutes les fonctionnalités que vous pourriez avoir lors de la construction de votre propre commutateur côté haut avec des FET, une limite de courant facilement configurable avec une seule résistance, et même une résistance de décharge de sortie en option au cas où votre appareil pourrait bénéficier de ne pas avoir de tension résiduelle après l'avoir éteint.

Dans l'ensemble, il existe une grande variété de commutateurs de charge conçus pour rendre vos circuits moins complexes et plus performants, et ils ne sont pas beaucoup plus coûteux que d'avoir un FET supplémentaire. Ils ont tous des FET à l'intérieur, mais ils sont généralement contrôlables par GPIO - plus besoin de se soucier de la capacité de grille ou du Vgs. Certains d'entre eux vous permettent de démarrer en douceur, d'autres non; certains d'entre eux ont une limitation de courant et d'autres pas, certains d'entre eux ont une protection contre le flux de courant inverse et d'autres pas, mais quelle que soit l'application que vous avez en tête, vous pourrez trouver un interrupteur de charge chaque fois que votre circuit basé sur FET commence à devenir trop complexe pour vos besoins.

Bien sûr, vous aurez parfois besoin d'un FET très spécifique, un cas d'utilisation pour lequel vous n'avez pas de candidat familier. À ce stade, vous devrez vous référer à un sélecteur de pièces – et cela peut sembler un peu intimidant de le faire, car il y a pas mal de paramètres à régler. Pour commencer, optez pour les FET SMD pour la plupart des cas d'utilisation mentionnés ci-dessus - les FET traversants sont assez rares pour quelque chose comme "20V Vds max, 3A Ids max", et les FET SMD dans leurs boîtiers typiques sont assez soudables. En d'autres termes, vous n'avez pas besoin de vous pencher sur les pièces THT lorsque vous devez augmenter la puissance.

Pour les mêmes caractéristiques, les N-FET seront légèrement moins chers que les P-FET, ils auront des Rds légèrement inférieurs et ils pourraient être plus facilement disponibles. Ce n'est pas quelque chose que vous avez généralement la liberté de choisir entre, mais au moment où vous avez le contrôle sur le circuit, opter pour un N-FET pour vos tâches de commutation haute puissance est peut-être une bonne idée. Après avoir choisi votre type de FET, limitez par cette catégorie, et peut-être limitez-vous également par le nombre de canaux - un ou deux sont un choix décent, mais en général, il est logique d'en avoir à un seul canal, sauf si vous utilisez de nombreux FET similaires dans votre circuit.

Avec les paramètres principaux, les plus cruciaux sont Vds et Id, vous pouvez donc commencer par limiter votre choix à ceux-ci ; faites une sur-spécification saine sur votre tension maximale attendue, vous ne voulez vraiment pas rester près des valeurs maximales attendues lors d'une utilisation réelle, donc avoir au moins 20% de marge de manœuvre, voire bien plus pour les charges inductives, est une bonne idée. Cependant, aller trop loin sur l'une ou l'autre de ces pièces peut vous amener à des pièces nécessitant des Vg déraisonnablement grandes, il n'est donc pas nécessaire d'aller trop loin. En d'autres termes, vous aurez besoin d'au moins un FET 30V/3A pour commuter une bande LED 24V/2A, tandis qu'un FET 45V/5A sera trop élevé.

Après avoir limité la gamme Vds et Ids, vous pouvez terminer en filtrant tous les types de boîtiers que vous ne souhaitez peut-être pas souder à la main - pour SMD en particulier, vous limiter à SOT- et SO- est une bonne idée si vous n'avez pas de pistolet à air chaud. À ce stade, vous devriez avoir un nombre décent de FET - c'est un moment où vous pouvez filtrer les quelques seuils Vgs et valeurs aberrantes Rds restants, puis trier par prix et voir quelles sont les options bas de gamme qui s'offrent à vous. Trouvez-en quelques-uns où Vgs semble satisfaisant au niveau de la surface, puis accédez à la fiche technique et vérifiez les graphiques. Au Vgs que vous êtes en mesure de fournir, Rds semble-t-il raisonnable ?

Il y a bien plus de recettes pour l'utilisation de FET dans vos circuits que celles-ci. Vous verrez des contrôleurs PWM, des contrôleurs de moteur, des charges électroniques, des circuits de protection, - un FET pourrait bien avoir une place bien méritée sur votre carte, et c'est merveilleux si vous êtes à l'aise de les utiliser. La prochaine fois que vous envisagez de gérer un peu ou beaucoup de puissance, un FET convivial pourrait bien être la meilleure aide que vous puissiez obtenir.