Calculadora de transistor o MOSFET como interruptor

Cómo decide la calculadora

Un transistor usado como interruptor debe estar del todo cortado o del todo en conducción. Del todo en conducción significa saturado en un bipolar y con su RDS(on) baja en un MOSFET: la caída entre sus extremos es pequeña, y el calor también. La calculadora comprueba que tu pin pueda llevarlo hasta ahí usando solo los valores que garantiza la hoja de datos y después calcula el calor y la temperatura de unión.

Transistores bipolares: corriente y resistencia de base

La hFE de la hoja de datos se mide con varios voltios entre los extremos del transistor, no en saturación. Para la tensión de saturación VCE(sat) las hojas de datos usan una ganancia mucho menor, normalmente IC = 10 × IB (20 × en el BC547 y 250 × en el Darlington TIP120). La calculadora usa esa misma ganancia forzada, así que la tensión de saturación del resultado está garantizada.

IB = IC ÷ β(forzada)
RB = (VGPIO − VBE(sat)) ÷ IB
P = VCE(sat) × IC + VBE(sat) × IB

Ejemplo: un ESP32 que activa la bobina de un relé de 12 V y 70 mA con un 2N2222A. IB = 70 ÷ 10 = 7 mA y RB = (3,3 − 1,2) ÷ 0,007 = 300 Ω, redondeada hacia abajo a 270 Ω para que la base reciba algo más. El transistor tiene una caída de 0,3 V como máximo: unos 30 mW, nada preocupante. A 300 mA la base necesitaría 30 mA, más de los 20 mA que debería dar un pin del ESP32: ahí conviene un MOSFET.

MOSFET: la tensión de puerta que de verdad está garantizada

La tensión umbral VGS(th) no es la tensión a la que conduce el MOSFET: es aquella a la que apenas empieza a conducir, a 250 µA o 1 mA. Lo que importa es la RDS(on) que garantiza la hoja de datos con una tensión de puerta dada. El AO3400A la garantiza a 2,5 V y conduce por completo desde un pin de 3,3 V. El IRLZ44N la garantiza desde 4 V: bien desde 5 V, sin garantía desde 3,3 V. El IRF520 y el IRF540N solo a 10 V. Entre el umbral y el punto garantizado más bajo la hoja de datos no promete nada, y la calculadora lo dice en vez de adivinar.

P = I² × RDS(on)(Tj) + Pconmutación
Tj = Ta + P × θJA

La RDS(on) aumenta con la temperatura, unas 1,5 veces a 125 °C en estas hojas de datos (1,43 en el AO3400A y 1,8 en el 2N7000, según sus tablas). La calculadora la sube con la temperatura de unión y repite hasta que ambas coinciden. Ejemplo: un AO3400A controlado por un ESP32 que enciende una tira LED de 2 A a 12 V. A 3,3 V vale el valor garantizado a 2,5 V, 48 mΩ: 2² × 0,048 = 0,19 W, unos 0,21 W en caliente. Con 125 °C/W la unión llega a unos 52 °C.

Por qué el módulo IRF520 no funciona a 3,3 V

El típico módulo rojo con el IRF520 conecta el pin de señal casi directamente a la puerta de un IRF520. Su umbral puede llegar a 4 V y su RDS(on) solo está garantizada a 10 V. Desde un ESP32 a 3,3 V puede que ni conduzca; desde un Arduino a 5 V conduce solo en parte y se calienta con unos pocos amperios. Desde 5 V puedes sustituirlo por un MOSFET de nivel lógico con el mismo patillaje, como el IRLZ44N o el IRLB8721. Desde 3,3 V usa un MOSFET garantizado a 2,5 V o un driver de puerta.

Motores, relés y solenoides: el diodo de rueda libre

Una bobina se opone a los cambios de corriente. Cuando el transistor se corta, la bobina mantiene la corriente y su tensión se dispara hasta que algo cede, normalmente el transistor. Un diodo en paralelo con la carga, con el cátodo hacia el positivo, le da un camino a esa corriente. Para relés que solo se encienden y apagan basta un 1N4148 (bobinas pequeñas) o un 1N4007; con PWM en un motor usa un diodo Schottky como el 1N5819 (1 A) o el SS34 (3 A), adecuado a la corriente de la carga.

Lado positivo: MOSFET de canal P y adaptador de nivel

A veces la carga debe seguir conectada a masa y el interruptor va entre la alimentación y la carga. Con un MOSFET de canal P la fuente va al positivo y una resistencia lleva la puerta a la misma tensión (cortado); un pequeño NPN controlado por el pin lleva la puerta a masa (en conducción). La puerta ve entonces toda la tensión de alimentación: por encima del 80 % del límite de la puerta la calculadora añade un divisor. Un pin no puede controlar directamente el MOSFET de canal P si la alimentación supera la tensión del pin: el MOSFET no se cortaría nunca.

PWM y pérdidas de conmutación

En cada flanco el MOSFET pasa un instante a medio conducir, con tensión y corriente a la vez. Un pin del microcontrolador carga y descarga la puerta con unas decenas de miliamperios, así que un IRLZ44N (48 nC) necesita unos microsegundos por flanco: nada a 1 kHz, unos vatios a 20 kHz con 5 A. La calculadora lo estima como ½ × V × I × (tiempo de subida + bajada) × frecuencia, con toda la carga de puerta, lo que peca por exceso. Para PWM rápido usa un MOSFET pequeño con poca carga de puerta o un driver.

Los transistores de la lista

Valores máximos garantizados a 25 °C de las hojas de datos de los fabricantes (onsemi, CJ, Alpha & Omega, Vishay, Infineon). A 3,3 V y a 5 V: la RDS(on) garantizada con esa tensión de puerta. La θJA se mide en la placa de prueba de cada fabricante, unos 6,5 cm² de cobre para los SOT-23: con menos cobre se calientan más.