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Un MOSFET (Metal Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) è un dispositivo a semiconduttore che può essere usato come interruttore a stato solido. Questi sono utili per controllare i carichi che assorbono più corrente, o richiedono una tensione più alta, di quella che un pin GPIO può fornire. Nel loro stato spento, i MOSFET non sono conduttivi, mentre nel loro stato acceso, hanno una resistenza estremamente bassa – spesso misurata in milliohm. I MOSFET possono essere usati solo per commutare carichi DC.

I MOSFET hanno tre pin, Source, Drain e Gate. La sorgente è collegata a terra (o la tensione positiva, in un MOSFET a canale p), il drenaggio è collegato al carico, e il gate è collegato a un pin GPIO sull’Espruino. La tensione sul gate determina se la corrente può fluire dal drenaggio al carico – nessuna corrente fluisce verso o dal gate (a differenza di un transistor a giunzione bipolare) – questo significa che se il gate è lasciato fluttuare, il FET può accendersi o spegnersi in risposta a campi elettrici ambientali o a correnti molto piccole. Come dimostrazione, si può cablare un MOSFET normalmente, tranne che non collegare nulla al pin del gate, e poi toccare il gate tenendo la terra o una tensione positiva – anche attraverso la resistenza del tuo corpo, puoi accendere e spegnere il FET! Per assicurarsi che un MOSFET rimanga spento anche se il pin non è collegato (ad esempio, dopo che Espruino è stato resettato), una resistenza pull-down può essere posta tra il gate e la sorgente.

I MOSFET commutano solo la corrente che scorre in una direzione; hanno un diodo tra la sorgente e lo scarico nell’altra direzione (in altre parole, se lo scarico (su un dispositivo a canale N) scende sotto la tensione sulla sorgente, la corrente fluirà dalla sorgente allo scarico). Questo diodo, il “body diode” è una conseguenza del processo di fabbricazione. Questo non deve essere confuso con il diodo a volte posto tra il drenaggio e l’alimentazione del carico – questo è separato, e dovrebbe essere incluso quando si guida un carico induttivo.

Salvo dove indicato, questa sezione presuppone l’uso di un MOSFET a canale N.

Canale N vs canale P

In un MOSFET a canale N, la sorgente è collegata a terra, il drenaggio al carico, e il FET si accende quando una tensione positiva viene applicata al gate. I MOSFET a canale N sono più facili da lavorare e sono il tipo più comunemente usato. Sono anche più facili da produrre, e quindi sono disponibili a prezzi più bassi con prestazioni più elevate rispetto ai MOSFET a canale p.

In un MOSFET a canale P, la sorgente è collegata a una tensione positiva, e il FET si accende quando la tensione sul gate è inferiore alla tensione sorgente di una certa quantità (Vgs < 0). Questo significa che se volete usare un mosfet a canale P per commutare tensioni superiori a 5V, avrete bisogno di un altro transistor (di qualche tipo) per accenderlo e spegnerlo.

Selezione dei MOSFET

Gate-to-Source voltage (Vgs) Una delle specifiche più importanti è la tensione necessaria per accendere completamente il FET. Questa non è la tensione di soglia – è la tensione alla quale inizia ad accendersi. Poiché l’Espruino può emettere solo 3.3v, per il collegamento più semplice, abbiamo bisogno di una parte che fornisca buone prestazioni con un gate drive a 3.3v. Sfortunatamente, non ci sono molti MOSFET disponibili in comodi pacchetti a foro passante che funzioneranno con un’unità di gate a 3,3v. L’IRF3708PBF è una buona scelta nel grande pacchetto TO-220 – la sua capacità di gestione della corrente è sufficiente per quasi tutti gli scopi, anche a 3,3v sul gate. Per una corrente inferiore, il 5LN01SP-AC di On Semiconductor è un’opzione; è disponibile in un pacchetto TO-92 e può gestire fino a 100mA.

Nella scheda tecnica di un MOSFET, sarà tipicamente incluso un grafico che mostra le proprietà di stato on a varie tensioni di gate. La specifica chiave qui sarà tipicamente data come un grafico della corrente di drenaggio (Id) contro la tensione drenaggio-sorgente (Vds – questa è la caduta di tensione attraverso il MOSFET), con diverse linee per diverse tensioni di gate. Per l’esempio dell’IRF3708PBF, questo grafico è la Figura 1. Notate come ad un Id di 10 ampere, la caduta di tensione (Vds) è appena sopra 0.1v con un azionamento del gate a 3.3v, e si può appena distinguere le linee per tensioni di 3.3v e superiori.

C’è una varietà molto ampia di MOSFET a bassa tensione disponibili in pacchetti a montaggio superficiale con eccellenti specifiche, spesso a prezzi molto bassi. Il popolare pacchetto SOT-23 può essere saldato sull’area di prototipazione SMD di Espruino come mostrato nelle immagini qui sotto, o usato con una delle molte schede di breakout a basso costo disponibili da eBay e da molti venditori di hobby elettronici.

Continuous Current Assicuratevi che la corrente nominale continua della parte sia sufficiente per il carico – molte parti hanno sia una corrente di picco che una corrente nominale continua, e naturalmente, la prima è spesso la specifica principale.

Drain-Source Voltage (Vds) Questa è la tensione massima che il MOSFET può commutare.

Maximum Gate-Source Voltage (Vgs) Questa è la tensione massima che può essere applicata al gate. Questo è particolarmente rilevante nel caso di un MOSFET a canale p che commuta una tensione abbastanza alta, quando si abbassa la tensione con un altro transistor o FET per accenderlo.

Pinout

Questi mostrano il pinout dei tipici MOSFET TO-220 e SOT-23. Comunque, consultate SEMPRE il datasheet prima di collegare qualsiasi cosa, nel caso vi troviate ad usare un pezzo strano.

Collegamento

N-Channel:

Un Espruino usato per commutare un carico di 100W usando un IRF3708. Notate la resistenza da 10k tra il gate e la sorgente. Il carico è un array di LED da 100W 660nm, che tira ~3.8A (secondo le specifiche) a 22v (più come 85W) – è fuori dalla foto (è piuttosto luminoso).

Questo mostra due MOSFET a canale N sull’area di prototipazione a montaggio superficiale di un Espruino, uno in SOT-23 (a destra) e l’altro in SOIC-8 (a sinistra). Si noti che le tracce tra le piazzole SMD e i pin sull’Espruino sono abbastanza sottili, quindi questo non dovrebbe essere usato per correnti molto più di un amp.

P-Channel:

Questo mostra un MOSFET a canale N utilizzato per accendere un MOSFET a canale P – questa configurazione è utile quando è necessario commutare il lato alto di un circuito alimentato da qualcosa sopra i 5 volt – questo esempio assume che il VBat di Espruino sia la fonte di alimentazione.

Schemi

Questi schemi mostrano alcune configurazioni comuni per i MOSFET come verrebbero usati con Espruino. I valori esatti delle resistenze non sono essenziali; una resistenza di valore più alto funzionerà bene (e può essere desiderabile dove il consumo di energia è di particolare preoccupazione). Come si può vedere sotto, usare un MOSFET a canale P per commutare tensioni superiori a 5v comporta un circuito più complicato. Questo non è il caso quando si usa un MOSFET a canale N per commutare tensioni elevate; poiché la sorgente è a terra, il gate non ha bisogno di salire fino alla tensione che viene commutata, come fa su un MOSFET a canale P, dove la sorgente è la tensione positiva.

MOSFET vs Relè

• I MOSFET non consumano essenzialmente energia, mentre i relè utilizzano una quantità significativa di energia quando sono accesi.
• I MOSFET possono essere pilotati con PWM. I relè non possono.
• I MOSFET richiedono una massa condivisa (o un’alimentazione per il canale p), mentre i relè isolano completamente il circuito da pilotare.
• I MOSFET possono commutare solo carichi DC, mentre i relè, essendo isolati, possono commutare anche AC.

MOSFET vs transistor a giunzione bipolare

• I mosfet sono controllati dalla tensione, non dalla corrente. La corrente di gate è trascurabile, mentre un BJT ha una corrente di base non trascurabile.
• I MOSFET hanno spesso una caduta di tensione inferiore nel loro stato on.
• I MOSFET si accendono da soli se il gate è lasciato fluttuare, i BJT richiedono corrente per fluire, quindi non lo faranno.
• I MOSFET sono spesso più costosi, ed erano storicamente più vulnerabili ai danni statici.

Modalità di miglioramento o di esaurimento

La maggior parte dei MOSFET usati sono i cosiddetti dispositivi in modalità di miglioramento, e la descrizione precedente ha presupposto l’uso di un MOSFET in modalità di miglioramento. Di nuovo, in un MOSFET in modalità di potenziamento, quando il gate è alla stessa tensione della sorgente (Vgs=0), il MOSFET non conduce.

In un MOSFET in modalità di esaurimento, quando Vgs = 0, il MOSFET è acceso, e una tensione deve essere applicata al gate per fermare la conduzione. La tensione fornita è l’opposto di quella che accenderebbe un MOSFET in modalità di potenziamento – quindi per un MOSFET in modalità di potenziamento a canale N, deve essere applicata una tensione negativa per spegnerlo.

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