MOSFET logic level
Un MOSFET con RDS(on) garantita a 2,5 V o 4,5 V si accende del tutto da un pin a 3,3 V o 5 V, scaldando poco.
IRLML6344: 0,16 W di calore, giunzione a 41 °C.
Questo transistor accende il mio carico da un pin a 3,3 V o 5 V? Scegli scheda, componente e carico: scopri la resistenza di base o il verdetto sul gate in base ai valori garantiti dal datasheet, il calore, il diodo di ricircolo e alternative migliori quando non funziona.
I modi più usati per commutare lo stesso carico, dal più adatto ai tuoi valori.
Adesso (AO3400A): 0,21 W di calore, giunzione a 52 °C.
Un MOSFET con RDS(on) garantita a 2,5 V o 4,5 V si accende del tutto da un pin a 3,3 V o 5 V, scaldando poco.
IRLML6344: 0,16 W di calore, giunzione a 41 °C.
Un driver come il TC4427 (1,5 A, alimentazione 4,5–18 V, ingresso alto da 2,4 V) porta 10–12 V sul gate e commuta in pochi nanosecondi: per MOSFET standard e PWM veloce.
TC4427 con un’alimentazione separata da 9 V (regolatore o Zener) e un AO3400A: 0,14 W, giunzione a 42 °C.
7 o 8 canali Darlington con i diodi di ricircolo integrati, 50 V e 500 mA per canale: per relè, piccoli solenoidi e motori passo-passo. Ogni canale fa cadere 1–1,6 V.
Oltre i 300 mA per canale che regge con questo pin.
Controlla quale MOSFET monta il modulo. Il diffuso modulo IRF520 vuole circa 10 V sul gate; i moduli con un MOSFET logic level o un driver funzionano da 3,3 V.
Isola del tutto il carico e commuta AC o DC quasi senza calore. Niente PWM, è lento e la bobina assorbe a sua volta corrente: verifica che l’ingresso del modulo funzioni a 3,3 V.
Per carichi a 230 V AC: silenzioso, senza contatti che si consumano. I modelli AC non commutano la DC: per quella esistono modelli DC.
Chip come i PROFET di Infineon commutano il lato positivo con un MOSFET a canale N e una pompa di carica integrata, con limitazione di corrente e protezione termica.
| Carico | 12 V × 2 A = 24 W (carico resistivo) |
|---|---|
| Gate | 100 Ω in serie, 10 kΩ tra gate e massa |
| RDS(on) | al massimo 48 mΩ, garantita a 2,5 V (3 A); il gate riceve 3,3 V, soglia fino a 1,45 V |
| Caduta di tensione | 0,11 V (RDS(on) di 54 mΩ a caldo): 0,21 W |
| Temperatura di giunzione | 52 °C = 25 °C + 0,21 W × 125 °C/W |
| Limiti | 12 V su 30 V · 2 A su 5,7 A |
| In aria libera | fino a 1 W a 25 °C (θJA 125 °C/W) |
Tieni la 10 kΩ tra gate e massa: mentre il microcontrollore si avvia i pin sono flottanti e il MOSFET potrebbe accendersi da solo.
Con diversi ampere in gioco, tieni il ritorno di massa del carico separato dal filo di massa del microcontrollore: uniscili all’alimentatore.
Un SOT-23 smaltisce il calore attraverso il rame sul pin di drain: il valore del datasheet presuppone circa 6,5 cm² (1 pollice²); con la sola piazzola scalda molto di più.
Il microcontrollore e l’alimentazione del carico devono avere la massa in comune, altrimenti il gate o la base non hanno un riferimento.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
| Componente | Tipo | Contenitore | V max | I max | Garantito | A 3,3 V | A 5 V | θJA |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2N2222A | NPN | TO-92 | 40 V | 600 mA | VCE(sat) 1 V / 500 mA | — | — | 200 °C/W |
| 2N3904 | NPN | TO-92 | 40 V | 200 mA | VCE(sat) 0,3 V / 50 mA | — | — | 200 °C/W |
| BC547 | NPN | TO-92 | 45 V | 100 mA | VCE(sat) 0,6 V / 100 mA | — | — | 200 °C/W |
| S8050 | NPN | SOT-23 | 25 V | 500 mA | VCE(sat) 0,6 V / 500 mA | — | — | 417 °C/W |
| TIP120 | NPN Darlington | TO-220 | 60 V | 5 A | VCE(sat) 4 V / 5 A | — | — | 62,5 °C/W |
| 2N7000 | MOSFET a canale N | TO-92 | 60 V | 200 mA | RDS(on) 5,3 Ω / 4,5 V | non garantito | 5,3 Ω | 313 °C/W |
| BS170 | MOSFET a canale N | TO-92 | 60 V | 500 mA | RDS(on) 5 Ω / 10 V | non garantito | non garantito | 357 °C/W |
| AO3400A | MOSFET a canale N | SOT-23 | 30 V | 5,7 A | RDS(on) 48 mΩ / 2,5 V | 48 mΩ | 32 mΩ | 125 °C/W |
| Si2302 | MOSFET a canale N | SOT-23 | 20 V | 2,6 A | RDS(on) 75 mΩ / 2,5 V | 75 mΩ | 57 mΩ | 175 °C/W |
| IRLML6344 | MOSFET a canale N | SOT-23 | 30 V | 5 A | RDS(on) 37 mΩ / 2,5 V | 37 mΩ | 29 mΩ | 100 °C/W |
| IRLZ44N | MOSFET a canale N | TO-220 | 55 V | 47 A | RDS(on) 35 mΩ / 4 V | non garantito | 25 mΩ | 62 °C/W |
| IRLB8721 | MOSFET a canale N | TO-220 | 30 V | 62 A | RDS(on) 16 mΩ / 4,5 V | non garantito | 16 mΩ | 62 °C/W |
| IRF520 | MOSFET a canale N | TO-220 | 100 V | 9,2 A | RDS(on) 270 mΩ / 10 V | non garantito | non garantito | 62 °C/W |
| IRF540N | MOSFET a canale N | TO-220 | 100 V | 33 A | RDS(on) 44 mΩ / 10 V | non garantito | non garantito | 62 °C/W |
| AO3401A | MOSFET a canale P | SOT-23 | 30 V | 4 A | RDS(on) 85 mΩ / −2,5 V | — | — | 125 °C/W |
| IRF9540N | MOSFET a canale P | TO-220 | 100 V | 23 A | RDS(on) 117 mΩ / −10 V | — | — | 62 °C/W |
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.
Sì, se la RDS(on) del MOSFET è garantita a 2,5 V o meno, come per AO3400A, Si2302 o IRLML6344. Aggiungi 100 Ω in serie al gate e 10 kΩ tra gate e massa, così resta spento mentre l’ESP32 si avvia. L’IRLZ44N, spesso venduto come logic level, è garantito solo da 4 V.
Perché l’IRF520 non è un MOSFET logic level: la sua soglia può essere 4 V e la RDS(on) è garantita solo a 10 V. Da 3,3 V può non accendersi affatto. Usa un driver per il gate, un modulo con un MOSFET logic level o un MOSFET garantito a 2,5 V come l’AO3400A.
RB = (VGPIO − VBE(sat)) ÷ IB, con IB = IC ÷ 10 per la maggior parte dei transistor piccoli (IC ÷ 20 per il BC547). Per 100 mA da un Arduino a 5 V con un 2N2222A: IB = 10 mA e RB = (5 − 1,2) ÷ 0,01 = 380 Ω, quindi 330 Ω.
Da un Arduino a 5 V il TIP120 funziona con poca corrente di base, ma fa cadere fino a 2 V a 3 A: fino a 6 W di calore. Un MOSFET logic level, alla stessa corrente, fa cadere qualche decina di millivolt. Da un ESP32 scegli un MOSFET garantito a 2,5 V.
Sì, per tutto ciò che ha una bobina: motori, relè, solenoidi, elettrovalvole, ventole. Montalo in parallelo al carico con il catodo (il lato con la fascia) verso il positivo. Strisce LED e resistenze riscaldanti non ne hanno bisogno.
Sulla carta diversi ampere, ma decide il calore. Un AO3400A pilotato da un pin a 3,3 V dissipa circa 0,2 W a 2 A e resta sui 50 °C; a 3 A si avvicina ai 100 °C. Più rame attorno al pin di drain aiuta.
Il lato massa (transistor tra il carico e la massa) è più semplice: un MOSFET a canale N o un NPN pilotato direttamente dal pin. Usa il lato positivo quando il carico deve restare collegato a massa, per esempio un sensore che ha la massa in comune con il microcontrollore: allora un MOSFET a canale P con un piccolo NPN che ne porta il gate a massa.