FET: O Transistor Amigável e Eficiente

Se você já trabalhou com um circuito que controla uma quantidade decente de corrente, muitas vezes encontrará um FET - um transistor de efeito de campo. Se você deseja controlar alguns LEDs poderosos, ligar e desligar um dispositivo USB ou acionar um motor, em algum lugar da imagem, geralmente há um FET fazendo o trabalho pesado. Você pode não estar familiarizado com o funcionamento de um FET, como usá-lo e quais são as ressalvas - vamos ver o básico.

Aqui está um circuito FET simples que permite alternar a energia para, digamos, uma porta USB, como uma válvula que interrompe o fluxo de corrente. Este circuito usa um P-FET - para ligar a energia, abra o FET trazendo o sinal GATE para o nível do solo e, para desligá-lo, feche o FET trazendo o GATE de volta, onde o resistor o mantém por padrão . Se você deseja controlá-lo a partir de um MCU de 3,3 V que não consegue lidar com a tensão do lado alto em seus pinos, você pode adicionar uma seção de transistor NPN como mostrado - isso inverte a lógica, tornando-o mais intuitivo "alto = ligado , low=off", e você não corre mais o risco de um GPIO!

Este circuito é chamado de interruptor de lado alto - ele permite que você alterne a energia para um dispositivo à vontade por meio de um FET. É o caso de uso mais popular para um FET, e se você está se perguntando mais sobre interruptores do lado alto, eu recomendo este artigo brilhante do nosso próprio [Bil Herd], onde ele mostra os fundamentos dos interruptores do lado alto de uma forma simples e clara. caminho. Para este artigo, você pode usar este esquema como referência de como os FETs são normalmente usados ​​em um circuito.

Existem diferentes tipos de FETs – MOSFETs, JFETs e algumas dezenas de menos populares, mas ainda abundantes. Ao falar sobre um FET, as pessoas geralmente se referem a um MOSFET, e é sobre isso que este artigo também falará - outros tipos não são tão populares para fins de hackers comuns e, para começar, não sei muito sobre JFETs . Eles são todos transistores de efeito de campo, no entanto, irmãos do outro tipo de transistor que é abundante - BJTs (transistor de junção bipolar), popular o suficiente para que normalmente nos referimos a eles apenas como transistores NPN ou PNP. Estes estão todos sob o guarda-chuva do transistor, mas quando as pessoas dizem "transistor", geralmente significam BJT, e quando as pessoas dizem "FET", geralmente significam "MOSFET".

Você pode imaginar um FET como um resistor que você pode controlar, e sua resistência pode chegar a uma fração de ohm (aberto) ou a uma resistência infinitamente alta para o propósito de seu projeto (fechado). Você abre o FET carregando e descarregando sua porta – na sua forma mais simples, você pode imaginar a porta como um capacitor. Resumindo, um FET é um transistor que atua como um resistor, com um capacitor embutido para controlar a resistência do FET.

Isso torna os FETs excepcionalmente maravilhosos para coisas como comutação de barramento de energia! Ao controlar o barramento de energia de um dispositivo com um BJT, uma queda de tensão de pelo menos 0,3 V é inevitável devido à maneira como os BJTs funcionam - desperdiçando energia em calor como resultado e um impedimento para dispositivos digitais onde a tensão de alimentação é importante. Um FET na mesma aplicação, no entanto, será apenas uma resistência sub-ohm em linha - eficiente e amigável. Esta é a principal razão pela qual os FETs são usados ​​para aplicações de comutação de energia e, como resultado, você verá FETs em todos os tipos de lugares.

Agora, um FET não vai instantaneamente de "totalmente aberto" para "totalmente fechado" - assim como os BJTs que todos conhecemos e amamos, também existem estados intermediários, onde a resistência não é tão baixa quanto o FET vai, mas também não é infinito – o FET está parcialmente aberto, ou seja, em sua região linear. Você pode alcançar a região linear aplicando um tipo de tensão quase aberta, mas não totalmente, ao portão e, aproveitando isso, pode construir um amplificador, uma carga eletrônica ou um driver de corrente constante para alguns LEDs. Para fins de comutação, no entanto, um FET na região linear é algo que você deseja evitar – alta resistência significa altas perdas e a necessidade de dissipar esse calor de alguma forma.

Devido à forma como os FETs são construídos, cada FET possui um diodo embutido, conhecido como "diodo do corpo". Você não pode evitar esse diodo – ele está aí para ficar; você só pode explicar sua existência ao conectar as coisas. Se um diodo for indesejável, uma forma de evitá-lo é colocando dois FETs lado a lado. É assim que funcionam os circuitos de proteção de bateria LiIon - eles precisam proteger a bateria contra descarga excessiva desligando a corrente que sai, mas também precisam proteger contra sobrecarga desligando a corrente que entra e colocando dois FETs em série com os diodos voltados um para o outro é uma maneira de conseguir isso. Se você olhar para um BMS de bateria LiIon de corrente mais alta, inevitavelmente encontrará dois FETs conectados dessa maneira, ou até mesmo duas fileiras de FETs colocados em paralelo!