Calcolo del transistor o MOSFET come interruttore

Come decide il calcolatore

Un transistor usato come interruttore deve essere del tutto spento o del tutto acceso. Del tutto acceso vuol dire in saturazione per un bipolare e alla sua RDS(on) bassa per un MOSFET: la caduta ai suoi capi è piccola, e così il calore. Il calcolatore verifica che il tuo pin riesca a portarlo lì usando solo i valori garantiti dal datasheet, poi calcola il calore e la temperatura di giunzione.

Transistor bipolari: corrente e resistenza di base

L’hFE del datasheet si misura con diversi volt ai capi del transistor, non in saturazione. Per la tensione di saturazione VCE(sat) i datasheet usano un guadagno molto più basso, di solito IC = 10 × IB (20 × per il BC547, 250 × per il Darlington TIP120). Il calcolatore usa lo stesso guadagno forzato, quindi la tensione di saturazione nel risultato è garantita.

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

Esempio: un ESP32 che comanda la bobina di un relè a 12 V da 70 mA con un 2N2222A. IB = 70 ÷ 10 = 7 mA e RB = (3,3 − 1,2) ÷ 0,007 = 300 Ω, arrotondata per difetto a 270 Ω perché la base riceva un po’ di più. Il transistor fa cadere al massimo 0,3 V: circa 30 mW, niente di preoccupante. A 300 mA la base vorrebbe 30 mA, più dei 20 mA che un pin dell’ESP32 dovrebbe dare: lì conviene un MOSFET.

MOSFET: la tensione di gate davvero garantita

La tensione di soglia VGS(th) non è quella a cui il MOSFET si accende: è quella a cui inizia appena a condurre, a 250 µA o 1 mA. Conta la RDS(on) che il datasheet garantisce con una certa tensione di gate. L’AO3400A la garantisce a 2,5 V e si accende del tutto da un pin a 3,3 V. L’IRLZ44N la garantisce da 4 V: va bene da 5 V, non è garantito da 3,3 V. IRF520 e IRF540N la garantiscono solo a 10 V. Tra la soglia e il punto garantito più basso il datasheet non promette nulla, e il calcolatore lo dice invece di tirare a indovinare.

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

La RDS(on) cresce con la temperatura, di circa 1,5 volte a 125 °C in questi datasheet (1,43 per l’AO3400A e 1,8 per il 2N7000, dalle loro tabelle). Il calcolatore la aumenta con la temperatura di giunzione e ripete il calcolo finché i due valori coincidono. Esempio: un AO3400A pilotato da un ESP32 che accende una striscia LED da 2 A a 12 V. A 3,3 V vale il valore garantito a 2,5 V, 48 mΩ: 2² × 0,048 = 0,19 W, circa 0,21 W a caldo. Con 125 °C/W la giunzione arriva a circa 52 °C.

Perché il modulo IRF520 non funziona a 3,3 V

Il diffuso modulo rosso con l’IRF520 collega il pin del segnale quasi direttamente al gate di un IRF520. La sua soglia può arrivare a 4 V e la RDS(on) è garantita solo a 10 V. Da un ESP32 a 3,3 V può non accendersi affatto; da un Arduino a 5 V conduce solo in parte e con qualche ampere scalda. Da 5 V puoi sostituirlo con un MOSFET logic level con la stessa piedinatura, come l’IRLZ44N o l’IRLB8721. Da 3,3 V usa un MOSFET garantito a 2,5 V o un driver per il gate.

Motori, relè e solenoidi: il diodo di ricircolo

Una bobina si oppone alle variazioni di corrente. Quando il transistor si spegne, la bobina continua a far scorrere la corrente e la sua tensione sale finché qualcosa cede, di solito il transistor. Un diodo in parallelo al carico, con il catodo verso il positivo, dà a quella corrente una strada. Per relè comandati senza PWM bastano un 1N4148 (bobine piccole) o un 1N4007; con il PWM su un motore usa un diodo Schottky come l’1N5819 (1 A) o l’SS34 (3 A), adatto alla corrente del carico.

Lato positivo: MOSFET a canale P e traslatore di livello

A volte il carico deve restare collegato a massa e l’interruttore va tra l’alimentazione e il carico. Con un MOSFET a canale P il source va al positivo e una resistenza tira il gate alla stessa tensione (spento); un piccolo NPN comandato dal pin porta il gate a massa (acceso). Il gate vede quindi tutta la tensione di alimentazione: oltre l’80 % del limite del gate il calcolatore aggiunge un partitore. Un pin non può pilotare direttamente il MOSFET a canale P quando l’alimentazione supera la tensione del pin: il MOSFET non si spegnerebbe mai.

PWM e perdite di commutazione

A ogni fronte il MOSFET passa un istante mezzo acceso, con tensione e corrente insieme. Un pin del microcontrollore sposta la carica del gate con qualche decina di milliampere, quindi un IRLZ44N (48 nC) impiega qualche microsecondo per fronte: innocuo a 1 kHz, qualche watt a 20 kHz con 5 A. Il calcolatore lo stima come ½ × V × I × (tempo di salita + discesa) × frequenza, con tutta la carica del gate: una stima per eccesso. Per un PWM veloce usa un MOSFET piccolo con poca carica di gate o un driver.

I transistor in elenco

Valori massimi garantiti a 25 °C dai datasheet dei produttori (onsemi, CJ, Alpha & Omega, Vishay, Infineon). A 3,3 V e a 5 V: la RDS(on) garantita con quella tensione di gate. La θJA è misurata sulla scheda di prova di ciascun produttore, circa 6,5 cm² di rame per i SOT-23: con meno rame scaldano di più.