FET: 一緒に楽しい取り組みを

前回は、FET の基本、詳細、ニュアンス、注意点について見てきました。 ただし、基本だけが FET のすべてではありません。その素晴らしい多様性のすべてを実際に使用してみましょう。 フレンドリーな FET、特に MOSFET が役立つクールな回路をたくさん紹介したいと思います。また、その過程で、皆さんにも使えそうな FET をいくつか紹介したいと思います。 ～との長期にわたる良い友情。 あなたがまだそれらを知らないなら、それはそうです！

おそらく、NPN トランジスタの最も一般的な用途は、リレーやソレノイドなどのコイルの駆動です。 私たちは BJT (通常は NPN) でリレーを駆動することにかなり慣れていますが、BJT である必要はなく、多くの場合、FET が同じように機能します。 これは N-FET で、一般的な BJT とまったく同じ構成で使用されます。ただし、ベース電流制限抵抗の代わりにゲート-ソース抵抗がある点が異なります。BJT をはんだ付けしてから FET をはんだ付けすることはできません。ボードの設計は完了していますが、それ以外の場合は非常にシームレスに置き換えることができます。 フリーホイール (逆起電力保護) ダイオードは、リレーを切り替えたときにコイルが抗議の異常な電圧を生成するときに必要ですが、すべての側面が優れているわけではありません。

同じ方法で駆動できる理由は非常に簡単です。通常の NPN 回路では、リレーは 3.3 V または 5 V ロジック レベルの GPIO によって駆動され、小信号 FET の場合、それは Vgs の範囲内に十分収まります。 ただし、MCU に 1.8 V の GPIO があり、FET の Vgs がそれを十分にカットできない場合は、NPN トランジスタの方が有利な解決策です。NPN トランジスタは、必要なわずか 0.7 V のわずかな電流を供給できる限り動作するためです。 。

そして、こちらが最初の 2 つの使いやすいトランジスタ、2N7002 と BSS138 です。どちらも小信号 N-FET で、まさにこの種の仕事に適しています。 2N7002 は非常に古典的な部品であり、N-FET が収まる場所ならどこでもよく見かけます。 BSS138 は非常に似ており、Rds 範囲が少し高くなりますが、Vgs 範囲が少し低くなります。Sparkfun または Adafruit の回路図で確認できます。 これらのいずれかを安全に大量に購入し、GPIO で駆動できる小型の N-FET が必要なときにいつでも回路で使用できます。

もちろん、小型のロジックレベル FET にはそれだけではありません。たとえば、いくつかの信号を前後にレベルシフトする必要がある場合は、4 つの SOT23 パーツを搭載した小型の「レベル シフター」ボードを使用したことがあるかもしれません。 これらの SOT23 パーツは実際には FET であり、私たちの [Jenny List] はレベル シフトに関する広範な記事でこの種のシフターを取り上げています。 この方法は安価でシンプルであり、レベルシフトしたい信号の圧倒的多数で動作します。だからこそ、小信号 N-FET を買いだめする理由がさらにあります。

これは、FET を使用して損失のない逆極性保護を可能にする、これまでにないほど素晴らしい回路です。 どちらの種類の FET も使用できます。多くの場合、中断されない共通グランドを持つ利点があるため、この目的には P-FET が使用されますが、N-FET も機能します。 この逆極性保護方法は、直列ダイオードを使用するよりもはるかに優れており、ほとんど電力を無駄にしないためです。消費電力が 1 ～ 2A の場合、ダイオードは 1W 以上の電力を熱に浪費する可能性があります。

Vgs が予想される電源入力より高くない場合は、P-FET のゲートをマイナス ピンに接続し、電源入力をプラス ピンに接続し、ドレイン ピンを出力にするだけです。 それ以外の場合、入力電圧が Vgs を超えるか、逆 Vgs しきい値を超える可能性がある場合は、電圧をクランプするためにツェナー ダイオードと抵抗を追加する必要があります。 この種の逆極性保護は安価で損失がなく、コンポーネントを激しい死から確実に救うことができます。

もちろん、回路が非常に低電力でない限り、小信号 FET を超えたものにする必要があります。開発中の開発ボードの電源入力はどうでしょうか? おそらく、ハイサイドスイッチング周辺機器に使用するのと同じ種類の FET を使用することもできるでしょうか。 より強力な FET、具体的には、汗をかかずに大電流を処理できる、小型ながら優れた P-FET をいくつか見てみましょう。

最大 Vgs 範囲が 12V ～ 24V、最大 Ids が約 2A ～ 4A で、多くの場合に適合する小型ながら強力な FET が多数あります。 それらの中にはロジックレベル入力を備えたものもあります。これは通常、3.3V ロジックハイレベル (つまり 1.8V) よりかなり低い Vgs で妥当な Rds を意味します。電源を 3.3V WiFi モジュールに切り替える必要があり、それを実行したい場合に使用します。 GPIO、そのような FET がこの要件に適合します。 他のものは、自らをロジックレベルとしてマークしていませんが、低い Vgs で妥当な Rds を持っています。

私のお気に入りの多目的高電流 P-FET のうち、IRLML6401 と IRLML6402 から始めましたが、現在は東側の同等品である CJ2305 と HX2301A を使用しています。これは単に LCSC で安価だからです。 同様の口径の N-FET に関しては、IRLML2502 が優れており、AO3400A は長年にわたり東部製ガジェットの古典的存在です。 もっとお探しですか？ この Ask Hackaday の記事をご覧ください。ハッカーたちがまさにこの種の FET についての提案を提供してくれました。

シームレスなスイッチングにより、DC 電源入力またはバッテリーから回路に電力を供給できる 2 ダイオード回路を見たことがあるでしょう。 ただし、問題があります。バッテリ電源を使用している場合、直列ダイオードを使用すると、出力電圧のかなりの部分が失われます。これは、4.2V ～ 3V 電圧のリチウムイオンバッテリから 3.3V 回路に電力を供給する場合に特に顕著です。範囲。 この回路は、充電中にバッテリーから負荷を取り除き、代わりに 5V から負荷に電力を供給します。 負荷をバッテリーに並列に永久接続すると機能するように思えますが、充電器の CC/CV サイクルを妨げたくはありません。

この回路については LiIon 回路の記事でも触れましたが、改めて注目すべき点があります。まさに素晴らしい回路です。 もちろん、要件を満たす FET が必要になりますが、ロジック レベルの P-FET はこの回路に見事に適合します。 ああ、抵抗器のサイズを正しく設定すると、問題が解決する可能性があります。10 kΩ または 47 kΩ などを選択しても問題ありませんが、充電器を切断するときに回路が電圧低下した場合は、抵抗を 1 kΩ まで下げることができます。 結局のところ、FET ゲートは充電を維持するためにそれほど多くの電流を必要としません。

通常のハイサイドスイッチング構成と比較して、この回路は FET を回転させ、ドレインとソースを入れ替えるので、5V がボディダイオードを介してバッテリーに供給されないことに注意してください。 特にボディ ダイオードによってソース ピンに電圧が生じるため、それでも動作しますが、Vgs しきい値は、可能な限り低いバッテリ電圧からボディ ダイオードの降下を差し引いて計算する必要があることに注意してください。そうしないと FET が開かない可能性があります。

場合によっては、電源レールに大きなコンデンサを備えた独自のブレークアウト ボード上の GSM モデムなどの周辺機器に電源を切り替えると、大量の電流が消費され、電圧が低下します。おそらく、マイクロコントローラがブラウンアウトして再起動します。 。 ゲートとドレインの間に 1 つのコンデンサを使用することで、ハイサイド スイッチング P-FET ベースの回路に原始的なソフトスタートを追加できます。これにより、FET がオンになり、事前充電されるときに線形領域でより長い時間を費やすことができます。完全に開く前にコンデンサを遮断し、電力消費のピークを平滑化します。 これはハックですが、問題を解決するものであり、ポストプロダクションでも回避できるものです。

もっと詳しく知りたいですか? これは onsemi による素晴らしい付録です。FET を使用した負荷スイッチングの基本について説明し、その実際の例とその背後にある数学、さらに負荷スイッチを代わりに使用したい場合の両方について説明しています。 ああ、ちなみにそれらは何でしょうか？

IC がどの程度統合されているかを匹敵するのは困難です。ディスクリートコンポーネントのソリューションでは決して不可能な方法で、単一のチップですべての問題を解決できます。 たとえば、5V/1.5A 負荷を切り替えたいとしますが、過電流保護からも大きなメリットが得られるとします。 自作の FET ベースの負荷スイッチング ソリューションでは、少なくとも電流測定抵抗とオペアンプまたはコンパレータを追加する必要があります。 一方、SY6280 のようなロード スイッチには、FET を使用して独自のハイサイド スイッチを構築する場合に備えられるすべての機能、単一の抵抗で簡単に設定できる電流制限、さらにはオプションの出力放電抵抗が備わっています。デバイスの電源をオフにした後、残留電圧がなくなると、デバイスの利点が得られる可能性があります。

全体として、回路の複雑さを軽減し、機能を向上させるように設計されたさまざまな負荷スイッチがあり、追加の FET を使用するよりもそれほどコストがかかるわけではありません。 これらはすべて内部に FET を持っていますが、原則として GPIO で制御可能であるため、ゲート容量や Vgs を気にする必要はありません。 ソフトスタートを実行できるものもあれば、できないものもあります。 電流制限機能を備えたものと備えていないもの、逆流保護機能を備えたものと備えていないものがありますが、どのような用途を念頭に置いても、FET ベースの回路を使用するときにはいつでも負荷スイッチを見つけることができます。ニーズに対して複雑になり始めます。

もちろん、場合によっては、非常に特殊な FET、よく知っている候補がないユースケースが必要になる場合もあります。 このような時点では、パーツ ピッカーを参照する必要があります。かなりの数のパラメータがあるため、そうするのは少し難しく感じるかもしれません。 まず、上記のほとんどのユースケースでは SMD FET を選択してください。「最大 20V Vds、最大 3A Ids」などの用途ではスルーホール FET は非常にまれで、一般的なパッケージの SMD FET は非常にはんだ付け可能です。 言い換えれば、より高出力にする必要がある場合に、THT 部品を調べる必要はありません。

同じ特性の場合、N-FET は P-FET よりもわずかに安価になり、Rds がわずかに低くなり、より簡単に入手できる可能性があります。 通常、これを自由に選択できるものではありませんが、回路を制御できる時点では、高電力スイッチング タスクに N-FET を使用するのは良い考えかもしれません。 FET のタイプを選択したら、そのカテゴリによって制限し、おそらくチャネル数によっても制限します。1 つまたは 2 つのいずれかが適切な選択ですが、一般に、類似した FET を多数使用している場合を除き、単一チャネルのものを使用するのが合理的です。あなたの回路で。

メインパラメータで最も重要なのは Vds と Id なので、これらによって選択を制限することから始めることができます。 予想される最大電圧に対して健全なオーバースペックを設定してください。実際の使用中は予想される最大値の近くに留まりたくないので、誘導負荷に対しては少なくとも 20%、あるいはそれ以上の余裕を持たせることが重要です。良いアイデア。 ただし、これらの部分のいずれかをやりすぎると、不当に大きな Vgs が必要な部分に到達する可能性があるため、やりすぎる必要はありません。 言い換えれば、24V/2A LED ストリップをスイッチングするには少なくとも 30V/3A FET が必要ですが、45V/5A FET では高すぎます。

Vds と Ids の範囲を制限した後、手はんだ付けしたくない可能性のあるあらゆる種類のパッケージをフィルタリングして終了できます。特に SMD の場合は、SOT- と SO- に制限することをお勧めします。熱風銃。 この時点で、FET の数はかなり少数になっているはずです。この時点で、残っているいくつかの Vgs しきい値と Rds の外れ値をフィルターで除外し、価格で並べ替えて、利用可能なローエンドのオプションを確認できます。 Vgs が表面レベルで満足できるものをいくつか見つけて、データシートにアクセスしてグラフを確認します。 あなたが提供できる Vgs では、Rds は合理的だと思われますか?

回路で FET を使用するためのレシピは、これら以外にもたくさんあります。 PWM コントローラー、モーター コントローラー、電子負荷、保護回路などを目にすることになります。FET はボード上に当然の位置を占めている可能性があり、それらを快適に使用できるのであれば素晴らしいことです。 次回、少量または大量の電力の処理を検討している場合、フレンドリーな FET が最善の助けとなるかもしれません。