FET : le transistor efficace convivial

Si jamais vous travaillez avec un circuit qui contrôle une quantité décente de courant, vous rencontrerez souvent un FET - un transistor à effet de champ. Que vous souhaitiez contrôler quelques LED puissantes, allumer et éteindre un périphérique USB ou piloter un moteur, quelque part dans l'image, il y a généralement un FET qui fait le gros du travail. Vous ne savez peut-être pas comment fonctionne un FET, comment l'utiliser et quelles sont les mises en garde - passons en revue les bases.

Voici un simple circuit FET qui vous permet de commuter l'alimentation sur, par exemple, un port USB, un peu comme une valve qui interrompt le flux de courant. Ce circuit utilise un P-FET - pour mettre sous tension, ouvrez le FET en ramenant le signal GATE au niveau du sol, et pour l'éteindre, fermez le FET en ramenant le GATE, où la résistance le maintient par défaut. Si vous souhaitez le contrôler à partir d'un microcontrôleur 3,3 V qui ne peut pas gérer la tension côté haut sur ses broches, vous pouvez ajouter une section de transistor NPN comme indiqué - cela inverse la logique, ce qui en fait un plus intuitif "haut = activé, bas = désactivé", et vous ne risquez plus un GPIO !

Ce circuit s'appelle un commutateur côté haut - il vous permet de basculer l'alimentation d'un appareil à volonté via un FET. C'est le cas d'utilisation le plus populaire pour un FET, et si vous vous posez des questions sur les commutateurs côté haut, je recommande vivement cet article brillant de notre propre [Bil Herd], où il vous montre les bases du commutateur côté haut d'une manière simple et claire. Pour cet article, vous pouvez utiliser ce schéma comme référence de la façon dont les FET sont généralement utilisés dans un circuit.

Il existe différents types de FET - MOSFET, JFET et quelques dizaines de FET moins populaires mais toujours abondants. Lorsqu'on parle d'un FET, les gens veulent généralement dire un MOSFET, et c'est ce dont cet article va également parler - d'autres types ne sont pas aussi populaires pour les besoins habituels des pirates, et je ne connais pas grand-chose aux JFET pour commencer. Ce sont tous des transistors à effet de champ, cependant, des frères et sœurs de l'autre type de transistor qui est abondant - les BJT (Bipolar Junction Transistor), suffisamment populaires pour que nous les appelions généralement des transistors NPN ou PNP. Ceux-ci sont tous sous l'égide des transistors, mais quand les gens disent "transistor", ils signifient généralement BJT, et quand les gens disent "FET", ils signifient généralement "MOSFET".

Vous pouvez imaginer un FET comme une résistance que vous pouvez contrôler, et sa résistance peut descendre jusqu'à une fraction d'ohm (ouverte) ou jusqu'à une résistance infiniment élevée pour les besoins de votre conception (fermée). Vous ouvrez le FET en chargeant et en déchargeant sa grille - dans sa forme la plus simple, vous pouvez imaginer la grille comme un condensateur. Pour résumer, un FET est un transistor qui agit comme une résistance, avec un condensateur intégré pour contrôler la résistance du FET.

Cela rend les FET particulièrement merveilleux pour des choses comme la commutation de rail d'alimentation ! Lors du contrôle du rail d'alimentation d'un appareil avec un BJT, une chute de tension d'au moins 0,3 V est inévitable en raison du fonctionnement des BJT - gaspillant ainsi de l'énergie en chaleur et interdisant les appareils numériques où la tension d'alimentation est importante. Un FET dans la même application, cependant, ne sera qu'une résistance sous-ohmique en ligne - efficace et conviviale. C'est la principale raison pour laquelle les FET sont utilisés pour les applications de commutation de puissance, et vous verrez donc des FET dans toutes sortes d'endroits.

Maintenant, un FET ne passe pas instantanément de "entièrement ouvert" à "entièrement fermé" - tout comme avec les BJT que nous connaissons et aimons tous, il y a aussi des états intermédiaires, où la résistance n'est pas aussi faible que le FET, mais aussi pas infinie - le FET est partiellement ouvert, ou, en d'autres termes, dans sa région linéaire. Vous pouvez atteindre la région linéaire en appliquant une tension presque ouverte mais pas tout à fait à la grille, et en profitant de cela, vous pouvez construire un amplificateur, une charge électronique ou un pilote à courant constant pour certaines LED. À des fins de commutation, cependant, un FET dans la région linéaire est quelque chose que vous voulez éviter - une résistance élevée signifie des pertes élevées et la nécessité de dissiper cette chaleur d'une manière ou d'une autre.

En raison de la façon dont les FET sont construits, chaque FET a une diode intégrée, connue sous le nom de "diode de corps". Vous ne pouvez pas éviter cette diode – elle est là pour rester ; vous ne pouvez expliquer son existence que lors du câblage. Si une diode n'est pas souhaitable, une façon de l'éviter consiste à mettre deux FET dos à dos. C'est ainsi que fonctionnent les circuits de protection de batterie LiIon - ils doivent protéger la batterie contre les décharges excessives en coupant le courant sortant, mais ils doivent également protéger contre les surcharges en coupant le courant entrant, et mettre deux FET en série avec les diodes face à face est une façon d'y parvenir. Si vous regardez un BMS de batterie LiIon à courant plus élevé, vous trouverez inévitablement deux FET câblés comme ça, voire deux rangées de FET mis en parallèle !

Comment un FET fonctionne-t-il réellement au niveau physique, sans les simplifications ? Voici une vidéo de [Thomas Schwenke] sur les FET en particulier, et aussi une de [EEVblog] qui parle à la fois des BJT et des FET. Il existe également une myriade de matériel d'apprentissage et d'exemples en ligne, comme ce magnifique GIF de Wikipedia. Vous n'avez pas vraiment besoin de le savoir, mais cela pourrait aider, et c'est aussi absolument fascinant !

Pour ouvrir un FET, vous devez appliquer une tension à la grille qui dépasse le seuil Vgs du FET et ne dépasse pas la valeur Vgs (max). Les deux se trouvent dans la fiche technique, bien sûr. Attention - Vgs dans la fiche technique (et les sélecteurs de pièces des détaillants en ligne !) Est souvent donné pour une valeur de résistance acceptable, mais pas pour la résistance la plus faible que le FET peut atteindre, vous voudrez donc vérifier le graphique Vgs-à-résistance dans la fiche technique. Maintenant, dans Vgs, G représente la porte et S représente la source - la troisième broche est le drain ; une fois que le FET s'ouvre, le courant circule de la source au drain. Bien sûr, la tension de commande de grille doit également être fournie par rapport à la source.

Tout comme avec les transistors NPN et PNP, il existe des N-FET et des P-FET. Les N-FET sont comme des transistors NPN - la broche de grille doit avoir une tension plus élevée que la broche de source pour que le FET s'ouvre. Les P-FET ressemblent également aux transistors PNP - la broche de grille d'un P-FET doit avoir une tension inférieure à la broche de source, bien sûr, dépassant Vgs; dans les fiches techniques P-FET, Vgs est représenté par un nombre négatif, disons "-1,7 V". Comme vous l'avez peut-être remarqué, il est plus facile d'utiliser des P-FET pour la commutation côté haut et des N-FET pour la commutation côté bas - tant que votre Vgs est inférieure à la tension de votre rail d'alimentation, vous n'avez pas à sortir de la plage de tensions disponibles dans votre circuit.

Maintenant, lors du câblage d'un FET, n'oubliez pas la diode du corps - si vous utilisez un FET pour la commutation de charge et que vous le câblez dans le mauvais sens en mélangeant la source et le drain, votre appareil sera toujours alimenté par la diode du corps, peu importe si le FET est ouvert ou non. D'un autre côté, vérifier avec la fiche technique pour le brochage éliminera ce problème, et lors du dessin du schéma, le symbole FET aura souvent la diode dessinée à l'intérieur - ou, au moins, une flèche partant de la même broche.

Quant à la dénomination, elle est facile à retenir - lorsque vous effectuez une commutation côté haut avec des P-FET ou une commutation côté bas avec des N-FET, vous connectez votre source d'alimentation à la broche source, le rail positif dans le cas d'un P-FET ou le rail négatif dans le cas d'un N-FET. Même si vous avez besoin d'un FET dans un but différent, ce mnémonique particulier peut vous rappeler de quelle broche va la diode du corps ! P-FET, source positive. N-FET, source négative.

Une fois que vous avez un FET, il existe plusieurs façons de le mettre dans un circuit. Si vous commutez un rail d'alimentation de 3,3 V et que votre microcontrôleur est de 3,3 V, vous pouvez tout aussi bien piloter le FET directement avec un GPIO - alors que charger la porte d'un FET n'est pas toujours compatible avec le GPIO, la capacité de la porte ne sera pas une charge importante sur votre GPIO à petite échelle, c'est donc un bon raccourci dans les projets de piratage ; si vous êtes concerné, vous pouvez ajouter une résistance série entre la porte et le GPIO, disons 100 Ω. Il est également très courant de piloter des N-FET à commutation côté bas avec un GPIO, tout comme nous le faisons avec les transistors NPN !

Cependant, si vos tensions ne correspondent pas, disons que vous contrôlez une charge de 12 V avec un P-FET et un GPIO de 3,3 V, il existe une autre méthode, bien plus populaire, que vous avez vue dans notre premier exemple de schéma - utilisez un autre FET ou BJT pour tirer la grille dans une direction et une résistance pour la tirer dans une autre ; si vous avez besoin de maintenir votre Vgs dans une certaine plage, ajoutez simplement une résistance supplémentaire entre la grille et le transistor de commande pour former un diviseur de tension !

C'est super utile, mais pas parfait. La grille est un condensateur, donc la charger ou la décharger à travers une résistance prendra plus de temps que de faire l'inverse avec un transistor, de sorte que la direction pilotée par la résistance passera plus de temps dans la région linéaire. Ce n'est pas vraiment un problème pour allumer et éteindre des charges de temps en temps, mais cela vous mordra si vous décidez de faire du PWM à plus haute fréquence - disons, vous pilotez des LED ou contrôlez la vitesse d'un moteur, avec l'inductance du moteur qui gâche encore plus les choses. C'est là qu'interviennent les pilotes FET - il s'agit d'une petite puce dotée d'un étage push-pull à l'intérieur qui vous aide à piloter fortement la grille malgré la capacité et à maintenir Vgs dans une plage acceptable également. Plus ou moins, connectez votre GPIO de contrôle à un côté de la puce, la porte de votre FET à l'autre, suivez la fiche technique du pilote de porte et vous êtes en or.

Bien sûr, les FET ont leurs limites et leurs nuances - il existe une myriade de FET dans les boîtiers SOT23 qui se ressemblent tous, mais seuls certains d'entre eux suivront lorsque vous devrez piloter quelques mètres d'une bande LED. Les paramètres les plus importants sont le courant et la tension maximaux drain-source - ceux-ci définissent le type de charge que vous pouvez piloter avec un FET. Si vous souhaitez piloter une charge de 12 V / 3 A, il serait judicieux de choisir un FET 20 V / 4 A Vds / Ids, et s'il s'agit d'un 3,3 V / 1 A, un FET 12 V / 3 A est le choix habituel. Oh, et, la diode du corps peut sembler extrêmement pratique, par exemple, si vous commutez des charges inductives, car elle dissiperait une partie des champs électromagnétiques vers l'arrière que le FET pourrait obtenir - ne vous y fiez pas trop cependant, si vous avez besoin d'une diode, ajouter une diode supplémentaire en parallèle est un meilleur moyen.

Avez-vous trouvé de bons FET bon marché, ou peut-être en avez-vous de bons dans votre réserve, mais ils sont un peu à court de courant maximum qu'ils peuvent gérer? Bonne nouvelle - vous pouvez souvent mettre des FET similaires en parallèle pour augmenter la capacité de courant maximale ! Contrairement aux diodes, la plupart des FET ont un coefficient thermique positif - plus le courant circule dans un FET et sa température augmente, plus sa résistance augmente également, ce qui fait que les FET en parallèle s'équilibrent - même si leurs paramètres ne sont pas parfaitement égaux. Vous n'avez même pas besoin d'avoir des circuits de commande séparés - juste des FET parallèles ensemble, les trois broches groupées, et cela fonctionnera.

La broche de grille est plus sensible que le drain et la source - par exemple, elle est assez sensible aux ESD, et certains FET ont même des diodes de protection ESD intégrées, câblées entre la grille et la source. Contrairement aux transistors BJT qui nécessitent un flux de courant constant, il vous suffit de charger une grille une seule fois pour que le FET reste ouvert un peu - et c'est une si petite quantité de charge que vous pouvez souvent littéralement charger la grille d'un FET en la touchant simplement avec votre doigt, si la grille n'est pas activement tirée dans n'importe quelle direction. Vous voyez la résistance R1 dans le circuit d'introduction ? Il maintient la grille déchargée et le FET fermé à moins qu'il ne soit pas activement ouvert - sans cette résistance, le FET ne se fermerait pas tout seul et il serait sensible à toutes sortes de bruits. À moins que vous n'utilisiez un pilote de grille, vous aurez absolument besoin d'une résistance grille-source.

De plus, généralement, le seuil Vgs maximum est bien inférieur au seuil Vds - par exemple, pour un FET Vds 30 V, il n'est pas rare de voir le Vgs maximum être de 12 V environ ; dépassez-le et le FET est très susceptible d'échouer. Disons que vous commutez 20 V avec un tel P-FET, dans la configuration de commutation côté haut habituelle, et que vous obtenez une bonne Rds (résistance drain-source) à -6 V - vous voudrez garder la grille à environ 12 V. Encore une fois, le moyen le plus simple de le faire est un diviseur de tension, et la résistance de traction de grille s'intégrera parfaitement dans l'image !

Lorsqu'un FET tombe en panne, il échoue généralement en court-circuit - c'est assez mauvais si vous comptez sur le FET pour quelque chose de critique, mais s'il y a un avantage, c'est qu'il est assez facile à déboguer lorsque votre FET est en panne. Certains produits, comme le Pinecil, utilisent deux FET en série pour se protéger davantage de ces problèmes - en effet, faire chauffer la pointe d'un fer à souder de manière incontrôlable est mauvais pour vos clients. D'autres produits n'utilisent qu'un seul FET et ne s'en soucient pas - les pannes sont généralement rares.

En parlant du Pinecil, il utilise un circuit de commande peu orthodoxe - il a un transistor NPN, mais sa base est pilotée par un condensateur, de sorte que seule la composante CA du signal de commande passe. Par conséquent, si le MCU principal se bloque et que le GPIO de contrôle est bloqué à l'état haut, le FET ne restera pas activé !

Vous souhaitez en savoir plus sur les FET ? Il y a beaucoup d'informations en ligne. Par exemple, cette note d'application TI sur la conduite des FET est merveilleuse. Ici, à Hackaday, nous avons également examiné les FET dans quelques contextes différents - logique CMOS, commutation haute tension, approvisionnement en pièces et disputes générales sur les transistors, ainsi que quelques guides d'introduction.

Bien sûr, il y a bien d'autres choses amusantes à apprendre sur les FET ! La prochaine fois, passons des extraits schématiques aux utilisations dans le monde réel - je veux vous montrer un tas de circuits sympas qui utilisent des FET de manière peut-être moins conventionnelle ; de la protection contre l'inversion de polarité aux circuits de démarrage progressif et au changement de niveau, il existe un certain nombre d'objectifs qu'un FET pourrait avoir sur votre carte. Oh, et il y aura des recommandations de numéros de pièces, des conseils de sélection de pièces et quelques anecdotes FET que vous pourriez trouver utiles pour vos voyages de piratage et pour compléter votre carte mentale FET !