FET: il transistor amichevole ed efficiente

Se mai lavori con un circuito che controlla una discreta quantità di corrente, incontrerai spesso un FET, un transistor a effetto di campo. Sia che tu voglia controllare un paio di potenti LED, accendere e spegnere un dispositivo USB o pilotare un motore, da qualche parte nell'immagine, di solito c'è un FET che fa il lavoro pesante. Potresti non avere familiarità con il funzionamento di un FET, come utilizzarlo e quali sono gli avvertimenti: esaminiamo le nozioni di base.

Ecco un semplice circuito FET che ti consente di alimentare, ad esempio, una porta USB, una specie di valvola che interrompe il flusso di corrente. Questo circuito utilizza un P-FET: per accendere, aprire il FET portando il segnale GATE al livello del suolo e per spegnerlo, chiudere il FET riportando su il GATE, dove il resistore lo trattiene per impostazione predefinita . Se vuoi controllarlo da un MCU da 3,3 V che non è in grado di gestire la tensione del lato alto sui suoi pin, puoi aggiungere una sezione di transistor NPN come mostrato: questo inverte la logica, rendendolo più intuitivo "high=on" , low=off", e non rischi più un GPIO!

Questo circuito è chiamato interruttore high-side e consente di attivare/disattivare l'alimentazione di un dispositivo a piacimento tramite un FET. È il caso d'uso più popolare per un FET e, se ti stai chiedendo di più sugli switch high-side, consiglio vivamente questo brillante articolo del nostro [Bil Herd], in cui mostra le nozioni di base sugli switch high-side in modo semplice e chiaro modo. Per questo articolo, puoi utilizzare questo schema come riferimento su come i FET vengono generalmente utilizzati in un circuito.

Esistono diversi tipi di FET: MOSFET, JFET e alcune dozzine di meno popolari ma comunque abbondanti. Quando si parla di FET, le persone di solito intendono un MOSFET, ed è ciò di cui parleremo anche in questo articolo: altri tipi non sono così popolari per i soliti scopi degli hacker e non so molto dei JFET per cominciare . Sono tutti transistor a effetto di campo, tuttavia, fratelli dell'altro tipo di transistor che è abbondante: i BJT (transistor a giunzione bipolare), abbastanza popolari che in genere li chiamiamo semplicemente transistor NPN o PNP. Questi sono tutti sotto l'ombrello dei transistor, ma quando le persone dicono "transistor", di solito significano BJT, e quando le persone dicono "FET", di solito significano "MOSFET".

Puoi immaginare un FET come un resistore che puoi controllare e la sua resistenza può arrivare fino a una frazione di ohm (aperto) o fino a una resistenza infinitamente alta ai fini del tuo progetto (chiuso). Apri il FET caricando e scaricando il suo gate: nella versione più semplice, puoi immaginare il gate come un condensatore. Per riassumere, un FET è un transistor che funge da resistore, con un condensatore incorporato per controllare la resistenza del FET.

Ciò rende i FET straordinariamente meravigliosi per cose come la commutazione del power rail! Quando si controlla la linea di alimentazione di un dispositivo con un BJT, è inevitabile una caduta di tensione di almeno 0,3 V a causa del modo in cui funzionano i BJT, con conseguente spreco di energia in calore e un divieto per i dispositivi digitali in cui la tensione di alimentazione è importante. Un FET nella stessa applicazione, tuttavia, sarà semplicemente una resistenza sub-ohm in linea, efficiente e intuitiva. Questo è il motivo principale per cui i FET vengono utilizzati per applicazioni di commutazione di potenza e, di conseguenza, vedrai FET in tutti i tipi di luoghi.

Ora, un FET non passa istantaneamente da "completamente aperto" a "completamente chiuso" - proprio come con i BJT che tutti conosciamo e amiamo, ci sono anche stati intermedi, in cui la resistenza non è così bassa come il FET, ma anch'esso non infinito: il FET è parzialmente aperto, o, in altre parole, nella sua regione lineare. Puoi raggiungere la regione lineare applicando un tipo di tensione quasi aperta ma non del tutto al gate e, sfruttando questo vantaggio, puoi costruire un amplificatore, un carico elettronico o un driver a corrente costante per alcuni LED. Ai fini della commutazione, tuttavia, un FET nella regione lineare è qualcosa da evitare: un'elevata resistenza significa perdite elevate e la necessità di dissipare il calore in qualche modo.

A causa del modo in cui sono costruiti i FET, ogni FET ha un diodo incorporato, noto come "diodo corporeo". Non puoi evitare questo diodo: è lì per restare; puoi rendere conto della sua esistenza solo quando colleghi le cose. Se un diodo non è desiderabile, un modo per evitarlo è mettere due FET uno dopo l'altro. Ecco come funzionano i circuiti di protezione della batteria agli ioni di litio: devono proteggere la batteria dal sovraccarico interrompendo la corrente che fuoriesce, ma devono anche proteggerla dal sovraccarico interrompendo la corrente che scorre dentro e mettendo due FET in serie con i diodi uno di fronte all'altro sono un modo per raggiungere questo obiettivo. Se guardi un BMS per batteria agli ioni di litio a corrente più elevata, troverai inevitabilmente due FET cablati in questo modo, o anche due file di FET messe in parallelo!