FET: フレンドリーで効率的なトランジスタ

適切な量​​の電流を制御する回路を扱う場合は、FET (電界効果トランジスタ) に遭遇することがよくあります。 いくつかの強力な LED を制御する場合でも、USB デバイスのオン/オフを切り替える場合でも、モーターを駆動する場合でも、通常は画像のどこかに FET が重労働を行っています。 FET がどのように機能するか、FET の使用方法、および注意点についてよく知らないかもしれません。基本を見てみましょう。

これは、電流の流れを遮断するバルブのようなもので、電源をたとえば USB ポートに切り替えることができる単純な FET 回路です。 この回路は P-FET を使用します。電源をオンにするには、GATE 信号をグランド レベルに下げて FET を開き、スイッチをオフにするには、GATE を再びアップにして FET を閉じます。デフォルトでは抵抗によって保持されます。 。 ピンのハイサイド電圧を処理できない 3.3 V MCU から制御したい場合は、図に示すように NPN トランジスタ セクションを追加できます。これによりロジックが反転され、より直感的な「high=on」になります。 、low=off" とすると、GPIO の危険はなくなります。

この回路はハイサイド スイッチと呼ばれ、FET を介してデバイスへの電力を自由に切り替えることができます。 これは FET の最も一般的な使用例であり、ハイサイド スイッチについてさらに詳しく知りたい場合は、当社の [Bil Herd] によるこの素晴らしい記事を強くお勧めします。この記事では、ハイサイド スイッチの基本をシンプルかつ明確に示しています。方法。 この記事では、回路内で FET が通常どのように使用されるかを示す参考としてこの回路図を使用できます。

FET には、MOSFET、JFET、およびあまり人気がありませんがまだ豊富にある数十種類のさまざまな種類があります。 FET について話すとき、人々は通常 MOSFET を指します。この記事でもそれについて説明します。他のタイプは通常のハッカー目的ではそれほど人気が​​ありません。また、私はそもそも JFET についてあまり知りません。 。 ただし、これらはすべて電界効果トランジスタであり、豊富に存在する他の種類のトランジスタである BJT (バイポーラ接合トランジスタ) の兄弟であり、一般に単に NPN または PNP トランジスタと呼ばれるほど人気が​​あります。 これらはすべてトランジスタの傘下にありますが、「トランジスタ」という場合は通常 BJT を指し、「FET」という場合は通常「MOSFET」を指します。

FET は制御可能な抵抗器として想像できます。その抵抗値は 1 オームの何分の 1 まで低くすることも (オープン)、設計の目的に応じて無限に高い抵抗値 (クローズ) にすることもできます。 FET のゲートを充放電することで FET を開きます。最も簡単に言うと、ゲートをコンデンサと考えることができます。 要約すると、FET は抵抗として機能するトランジスタであり、FET の抵抗を制御するためのコンデンサが内蔵されています。

このため、FET は電源レールのスイッチングなどに非常に優れています。 BJT を使用してデバイスの電源レールを制御する場合、BJT の動作方法により少なくとも 0.3 V の電圧降下は避けられません。その結果、電力が無駄に消費されて熱が発生するため、電源電圧が重要なデジタル デバイスには使用できません。 ただし、同じアプリケーション内の FET は、効率的で使いやすいインラインのサブオーム抵抗にすぎません。 これが、FET が電力スイッチング アプリケーションに使用される主な理由であり、その結果、あらゆる場所で FET を目にすることになります。

さて、FET は即座に「全開」から「全閉」にはなりません。私たち皆が知っていて愛用している BJT と同じように、抵抗が FET ほど低くない中間の状態もありますが、また、無限ではありません。FET は部分的に開いています。つまり、線形領域にあります。 ほぼオープンではあるが、完全にはオープンではない種類の電圧をゲートに印加することで線形領域に達することができ、これを利用して、アンプ、電子負荷、または定電流ドライバーを構築できます。 LED。 ただし、スイッチング目的では、線形領域の FET は避けたいものです。抵抗が大きいと損失も大きくなり、何らかの方法で熱を放散する必要があります。

FET の製造方法により、各 FET には「ボディ ダイオード」として知られるダイオードが組み込まれています。 このダイオードを避けることはできません。常に存在します。 接続するときにのみ、その存在を考慮することができます。 ダイオードが望ましくない場合、それを回避する方法は、2 つの FET を背中合わせに配置することです。 これが、リチウムイオン電池保護回路の仕組みです。流出する電流を遮断することでバッテリーを過放電から保護する必要がありますが、流入する電流を遮断し、2 つの FET を直列に配置することで過充電からも保護する必要があります。ダイオードを互いに対向させることは、これを実現する 1 つの方法です。 高電流のリチウムイオン電池 BMS を見ると、必然的に 2 つの FET がそのように配線されているか、さらには 2 列の FET が並列に配置されていることがわかります。

単純化せずに、FET は実際に物理レベルでどのように機能するのでしょうか? これは、特に FET に関する [Thomas Schwenke] のビデオと、BJT と FET の両方について説明している [EEVblog] のビデオです。 ウィキペディアからのこの美しい GIF のように、オンラインには無数の学習教材や例もあります。 これを正確に知る必要はありませんが、役に立つかもしれませんし、非常に興味深いものでもあります。

FET を開くには、FET の Vgs しきい値を超え、Vgs(max) 値を超えない電圧をゲートに印加する必要があります。 もちろん、これらは両方ともデータシートに記載されています。 注意 – データシート (およびオンライン小売業者の部品選択ツール) の Vgs は、多くの場合、抵抗の許容値として示されていますが、FET が達成できる最低抵抗については示されていないため、Vgs 対抵抗を確認する必要があります。データシートのグラフ。 ここで、Vgs では、G はゲートを表し、S はソースを表します。3 番目のピンはドレインです。 FET が開くと、電流がソースからドレインに流れます。 もちろん、ゲート制御電圧もソースに対して供給する必要があります。

NPN トランジスタと PNP トランジスタと同様に、N-FET と P-FET があります。 N-FET は NPN トランジスタに似ています。FET が開くには、ゲート ピンの電圧がソース ピンよりも高い必要があります。 P-FET も PNP トランジスタと似ています。P-FET のゲート ピンは、ソース ピンよりも低い電圧 (もちろん Vgs を超える) を持つ必要があります。 P-FET データシートでは、Vgs は負の数、たとえば「-1.7 V」として表示されます。 お気づきかと思いますが、ハイサイド スイッチングには P-FET を使用し、ローサイド スイッチングには N-FET を使用するのが最も簡単です。Vgs がパワー レール電圧より小さい限り、電源レール電圧の範囲外に置く必要はありません。回路内で利用可能な電圧の範囲。

さて、FET を配線するときは、ボディ ダイオードのことを思い出してください。負荷スイッチングに FET を使用し、ソースとドレインを混同して間違った方法で配線すると、デバイスの電源は常にボディ ダイオードを介して供給されます。 FETが開いているかどうか。 一方、データシートでピン配置を確認すると、この問題は解消されます。回路図を描くとき、​​FET シンボルの内部にはダイオードが描かれていることが多く、少なくとも同じピンから矢印が描かれています。

名前については、覚えやすいです。P-FET を使用したハイサイド スイッチングまたは N-FET を使用したローサイド スイッチングを行う場合、電源をソース ピン、P-FET の場合はプラス レール、またはN-FET の場合はネガティブレール。 別の目的で FET が必要な場合でも、この特定のニーモニックを使用すると、ボディ ダイオードがどのピンに接続されているかを思い出すことができます。 P-FET、正ソース。 N-FET、マイナス電源。

FET を入手したら、それを回路に組み込む方法がいくつかあります。 3.3 V の電源レールを切り替えていて、マイクロコントローラーが 3.3 V の場合は、GPIO で FET を直接駆動した方がよいでしょう。FET のゲートの充電が常に GPIO に適しているとは限らず、ゲート容量はそれほど重要ではありません。 GPIO への負荷は小規模であるため、ハッカー プロジェクトでは良い近道になります。 心配な場合は、ゲートと GPIO の間に 100 Ω などの直列抵抗を追加できます。 NPN トランジスタの場合と同様に、GPIO を使用してローサイド スイッチング N-FET を駆動することも非常に一般的です。

ただし、電圧が一致しない場合、たとえば、P-FET と 3.3 V GPIO で 12 V 負荷を制御している場合は、最初の回路図例で見た、より一般的な別の方法があります。 – 別の FET または BJT を使用してゲートを一方向に引っ張り、抵抗を使用してゲートを別の方向に引っ張ります。 Vgs を特定の範囲内に維持する必要がある場合は、ゲートと制御トランジスタの間に追加の抵抗を追加して分圧器を形成するだけです。

これは非常に便利ですが、完璧ではありません。 ゲートはコンデンサであるため、抵抗を介して充電または放電することは、トランジスタを使用してその逆を行うよりも時間がかかるため、抵抗駆動方向は線形領域でより多くの時間を費やします。 これは、時々負荷のオンとオフを切り替える場合にはそれほど問題ではありませんが、より高い周波数の PWM を実行することにした場合、つまり LED を駆動したり、モーターのインダクタンスが乱れてモーターの速度を制御したりする場合には問題になります。事態はさらに悪化します。 ここで FET ドライバーが登場します。FET ドライバーは、内部にプッシュプル段を備えた小さなチップで、静電容量にもかかわらずゲートを強力に駆動し、Vgs も許容範囲内に保つのに役立ちます。 多かれ少なかれ、制御 GPIO をチップの一方の側に接続し、FET のゲートをもう一方の側に接続し、ゲート ドライバーのデータシートに従っていれば、準備は完了です。

もちろん、FET には限界と微妙な違いがあります。SOT23 パッケージにはすべて同じように見える無数の FET がありますが、LED ストリップを数メートル駆動する必要がある場合に対応できるのはそのうちの一部だけです。 最も重要なパラメータはドレイン-ソース間の最大電流と電圧です。これらは、FET で駆動できる負荷の種類を定義します。 12 V / 3 A の負荷を駆動したい場合は、20 V / 4 A Vds/Ids FET を選択するのが賢明です。3.3 V / 1 A の場合は、12 V / 3 A FET が通常です。選択。 ああ、ボディ ダイオードは、たとえば誘導性負荷をスイッチングする場合、FET が受ける逆方向 EMF の一部を消散するため、非常に便利に見えるかもしれません。ただし、必要な場合は、あまり頼りにしないでください。ダイオードを追加する場合は、並列に追加のダイオードを追加する方が良い方法です。

安くて良い FET を見つけたことがありますか。あるいは、良い FET を隠し場所に持っていたものの、処理できる最大電流が少し不足していませんか? 良いニュースです。多くの場合、同様の FET を並列に配置して、最大電流容量を増やすことができます。 ダイオードとは異なり、ほとんどの FET は正の熱係数を持っています。FET を流れる電流が増えて温度が上昇すると、抵抗も増加します。その結果、パラメータが完全に等しくなくても、並列接続された FET が互いにバランスをとります。 個別の駆動回路を用意する必要さえありません。FET を並列に接続し、3 つのピンをすべて連動させるだけで動作します。

ゲート ピンはドレインやソースよりも危険です。たとえば、ゲート ピンは ESD に非常に敏感で、FET によっては、ゲートとソースの間に ESD 保護ダイオードが組み込まれているものもあります。 一定の電流を流す必要がある BJT トランジスタとは異なり、FET をかなりの時間開いたままにするためにゲートを 1 回充電するだけで済みます。また、充電量が非常に少ないため、多くの場合、単に触れるだけで文字通り FET のゲートを充電できます。ゲートがどの方向にも積極的に引っ張られていない場合は、指で押してください。 イントロ回路の R1 抵抗が見えますか? アクティブに開かれていない限り、ゲートを放電し、FET を閉じたままにします。この抵抗がなければ、FET は自動的に閉じず、あらゆる種類のノイズの影響を受けやすくなります。 ゲートドライバを使用していない限り、ゲートソース間抵抗が必ず必要になります。

また、一般に、最大 Vgs しきい値は Vds しきい値よりもはるかに低くなります。たとえば、30 V Vds FET の場合、最大 Vgs が 12 V 程度になることは珍しくありません。 それを超えると、FET が故障する可能性が非常に高くなります。 通常のハイサイド スイッチング構成で、このような P-FET を使用して 20 V をスイッチングし、-6 V で良好な Rds (ドレイン-ソース抵抗) が得られるとします。ゲートを 20 V に保つ必要があるとします。繰り返しますが、これを行う最も簡単な方法は分圧器であり、ゲートプル抵抗はこの図にうまく適合します。

FET が故障すると、通常は短絡で故障します。これは、何か重要なことを FET に依存している場合には非常に悪いことですが、利点が 1 つあるとすれば、FET が故障したときのデバッグが非常に簡単であるということです。 Pinecil などの一部の製品では、このような問題からさらに保護するために 2 つの FET を直列に使用しています。実際、はんだごての先端が制御不能に加熱されることは顧客にとって良くありません。 他の製品では単一の FET を使用するだけで問題はありません。障害は全体的にまれです。

Pinecil について言えば、それは型破りな駆動回路を使用しています。NPN トランジスタを備えていますが、そのベースはコンデンサを介して駆動されるため、駆動信号の AC 成分のみが通過します。 その結果、メイン MCU がハングし、制御 GPIO が High のままになると、FET は有効のままになりません。

FET についてさらに詳しく知りたいですか? オンラインにはたくさんの情報があります。 たとえば、FET の駆動に関するこの TI アプリ ノートは素晴らしいです。 Hackaday では、CMOS ロジック、高電圧スイッチング、部品調達、一般的なトランジスタのラングリングなど、いくつかの異なる状況で FET を検討し、いくつかの入門ガイドも取り上げました。

もちろん、FET について学ぶべき楽しいことはたくさんあります。 次回は、回路図の断片から実際の使用法に移りましょう。おそらくあまり従来的ではない方法で FET を使用するクールな回路をたくさん紹介したいと思います。 逆極性保護からソフトスタート回路やレベルシフトまで、ボード上の FET にはさまざまな目的があります。 ああ、ハッキングの旅や FET メンタル マップの完成に役立つ可能性のある部品番号の推奨事項、部品選択のヒント、FET のトリビアも含まれます。