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2N7002Kを触ってみる

Web上に識者な方々のFETの使い方が色々と載ってますが、秋月電子に安価に売っているFET、2N7002Kの入力抵抗云々で??となったので、AnalogDiscovry2を使ってその作動を観察してみました。

2N7002K、ドレイン電流が300mA迄流せる小さいNchのFETです。
データシートを見てみると、TotalGateChargeであるQgが0.8nCとなっていてデータシート上に表になっている数値で見てみるとTurn-OnTime(Ton)が20ns、この数値から、必要な数値を計算してみると、0.8/20=0.04A。
20nsでオンするには40mAの電流を流さねばならず、通常のマイコンのGPIOの出力電流の上限を軽く超えてしまいます。

ただ、InputCapacitance(Ciss)が35pFとなっているため、通常のHCタイプのロジックICの出力テストで用いられている出力静電容量が50pFとなっているので、直結しても良いのでは?とゆう考え方もあるようです。(実際に直結されている回路もWeb上に)

試しとして、Gate抵抗を330Ω直列で2つ、660Ωとし、Gate-Source間の抵抗を10kΩ、Drainには5V電源から1kΩの抵抗を介してLEDを繋ぎました。LEDに掛かる電流は5mAです。
Gate抵抗の前にはスイッチを置き、スイッチOnでGate抵抗を介してGateに電気が流れるようになってます。スイッチには電源からの5Vが。

画像はクリックすると別タブが開き、大きく見ることができます。

2n7002_g660ohm_1kled_risingEdge_voltage.png
この画像はChannel1がスイッチを押したスイッチ直後、Gate抵抗手前の電圧、Channel2が電源から1kΩの抵抗を介したLEDのカソード、Drain入力位置での電圧。スイッチを押したChannel1の立ち上がりから10~20ns辺りからChannel2の電圧が降下し始め、50ns付近で降下しきって少々波を打っています。

2n7002_g660ohm_1kled_fallingEdge_voltage.png
この画像はスイッチを離した時、Channel1の電圧がスイッチの電圧です。Channel2は電源から1kΩの抵抗と、LEDを介したDrain電圧。スイッチを離した瞬間から、0.6~0.7us(600ns~700ns)後にDrainの電圧が立ち上がり初め、1.2us(1200ns)辺りで元の電圧に戻ってます。

AnalogDiscovery2のアナログ入力は差動入力となっているので、1chで抵抗に掛かる電流を測る事ができます。

2n7002_g660ohm_1kled_risingEdge_voltage_input_different.png
この画像は、channel1を差動として、Gate抵抗である330Ωx2で660Ωの両端から繋ぎ、660Ωの抵抗の入力と出力の差を見てみた画像です。
channel2は上の方のchannel2と同じDrain入力部分の電圧です

2n7002_g660ohm_1kled_risingEdge_voltage_input_different_100ns.png
この画像は一つ上の画像が見づらいので、時間軸を拡大し、波形を上下にズラした画像です。Channel1にはピーク4V程度、オームの法則どおり、これを抵抗値で割ると電流が出ます。
4/660=0.06060 となり、6mAの電流です。

2n7002_g660ohm_1kled_fallingEdge_voltage_input_different.png
この画像はスイッチを離した時のGate抵抗の入力と出力の差の電圧です。約300mV掛かってる電圧がスイッチを離すことによってOVに。
FETは入力容量が充電されれば、それ以降Gateの電流消費はほぼ無いのですが、この回路はGate-Source間に10kΩの抵抗が付いているので、その分の電流消費が有ります。Gate抵抗が660Ω+Gate-Source間抵抗が10kΩで10660Ω。
Gate抵抗入力側電圧が5Vなので
5V/10660Ω=0.00046904A    0.4mA






比較対象として、DTC114EET1Gとゆうデジタルトランジスタを使った波形も載せて置きます。
Base抵抗、Base-Emitter間抵抗が10kΩのものです。
Collectorに繋がる負荷は上記2N7002で繋いだのと同じ1KΩの抵抗と、LEDです。BaseをOnする電圧は5V、Collectorに繋いだ抵抗とLEDの電源は5Vです。

Base抵抗とBase-Emitter間抵抗が内蔵されているので、基板に部品を実装する手間が省けます。

DTC114EET1G_1kLED_risingEdge.png
この画像はChannel1がスイッチを押したスイッチ直後、Base抵抗手前の電圧、Channel2が電源から1kΩの抵抗を介したLEDのカソード、Collector出力位置での電圧。スイッチを押したChannel1の立ち上がり直後からChannel2の電圧が降下し始め30ns付近で急激に降下、65ns付近で降下しきって少々波を打っています。


DTC114EEt1G_1kLED_fallingEdge.png
この画像はスイッチを離した時、Channel1の電圧がスイッチの電圧です。Channel2は電源から1kΩの抵抗と、LEDを介したCollector電圧。スイッチを離した瞬間から、3.3~3.5us(3300ns~3500ns)後にDrainの電圧が立ち上がり初め、3.8us(3800ns)辺りで元の電圧に戻ってます。

2N7002と比べるとデジタルトランジスタの作動が少々遅いように感じますが、Base抵抗Base-Emitter間抵抗の値で具合が変わるのかもしれません。

FETも電流源が十分に容量がある場合、Gate抵抗、Gete-Source間抵抗の値を小さくできるので、速く作動させることが出来ると思います。



追記
2N7002Kの回路のスイッチとGateの間に74HC541(ロジックバッファ)を入れてゲート抵抗を取り去り直結でも見てみました。
HC541は8つのバッファがあるので、電流が足らなくならないように並列に接続してあり、バッファが電流を送ったり引いたり出来るプッシュプルタイプなので、Gate-Source間の抵抗も取り去って有ります。
上の方でスイッチを離した時のゲートの電流の引き抜きは、Gate-Source間の抵抗がマイナスの電流を供給してたので、プッシュプルのプル側で電流を引き抜くことにより、Source-Drain間の作動速度が大幅に速くなってます。

2n7002_g0ohm_1kled_risingEdge.png
入力抵抗が無いので、結構電圧がバタついてますが、青色のLEDに掛かってる電圧の下がり方がゲート抵抗有りに比べて速くなってます。



2n7002_g0ohm_fallingEdge.png
Gate入力側をプッシュプルのバッファとし、Gate-Source間抵抗も、Gate抵抗も無い状態なので、とても速い作動です。



2n7002_g0_fallingEdge_100nsDiv.png
一つ上の画像の1/10の時間軸で見てみました。

FETの作動速度を上げたい場合、プッシュプルとしたほうが良いのは明確ですね。

逆に作動速度が速くなくても良い場合などは、電流制限抵抗であるGate抵抗、Gate-Source間抵抗などで調整して、出力側がほどほどのデバイスなどでも、作動させることが可能です。




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akirahitosi

Author:akirahitosi
タイトルの通り個人的な備忘帳です。
使用しているMCUはSTM32F4とPSoC5LPなどなど。
自分が使う機能で、Web上の記事で参考にさせて頂いたページ等々を残しておこうとしてるので、このブログの記事のみでは、「できる」ようにはならないのでは?と思います。

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