Calculadora de transistor ou MOSFET como chave

Como a calculadora decide

Um transistor usado como chave deve estar totalmente desligado ou totalmente ligado. Totalmente ligado quer dizer saturado, no caso de um bipolar, e com a RDS(on) baixa, no caso de um MOSFET: a queda sobre ele é pequena, e o calor também. A calculadora confere se o seu pino consegue levá-lo até lá usando só os valores garantidos pelo datasheet e depois calcula o calor e a temperatura de junção.

Transistores bipolares: corrente e resistor de base

O hFE do datasheet é medido com vários volts sobre o transistor, não em saturação. Para a tensão de saturação VCE(sat), os datasheets usam um ganho bem menor, em geral IC = 10 × IB (20 × no BC547, 250 × no Darlington TIP120). A calculadora usa esse mesmo ganho forçado, então a tensão de saturação do resultado é garantida.

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

Exemplo: um ESP32 acionando a bobina de um relé de 12 V e 70 mA com um 2N2222A. IB = 70 ÷ 10 = 7 mA e RB = (3,3 − 1,2) ÷ 0,007 = 300 Ω, arredondado para baixo para 270 Ω, para a base receber um pouco mais. O transistor tem queda de no máximo 0,3 V: cerca de 30 mW, nada preocupante. Com 300 mA a base precisaria de 30 mA, mais do que os 20 mA que um pino do ESP32 deveria fornecer: é aí que entra um MOSFET.

MOSFETs: a tensão de gate que é realmente garantida

A tensão de limiar VGS(th) não é a tensão em que o MOSFET liga: é aquela em que ele mal começa a conduzir, com 250 µA ou 1 mA. O que importa é a RDS(on) que o datasheet garante com uma dada tensão de gate. O AO3400A a garante a 2,5 V e conduz totalmente a partir de um pino de 3,3 V. O IRLZ44N a garante a partir de 4 V: bom com 5 V, sem garantia com 3,3 V. O IRF520 e o IRF540N só a 10 V. Entre o limiar e o ponto garantido mais baixo o datasheet não promete nada, e a calculadora diz isso em vez de chutar.

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

A RDS(on) sobe com a temperatura, cerca de 1,5 vez a 125 °C nesses datasheets (1,43 no AO3400A e 1,8 no 2N7000, pelas tabelas deles). A calculadora a aumenta com a temperatura de junção e repete até as duas baterem. Exemplo: um AO3400A acionado por um ESP32 ligando uma fita de LED de 2 A em 12 V. Com 3,3 V vale o valor garantido a 2,5 V, 48 mΩ: 2² × 0,048 = 0,19 W, cerca de 0,21 W quente. Com 125 °C/W a junção chega a uns 52 °C.

Por que o módulo IRF520 não funciona com 3,3 V

O módulo vermelho comum com IRF520 liga o pino de sinal quase direto ao gate de um IRF520. O limiar dele pode chegar a 4 V e a RDS(on) só é garantida a 10 V. Com um ESP32 em 3,3 V ele pode nem conduzir; com um Arduino em 5 V ele conduz só em parte e esquenta com poucos ampères. Em 5 V dá para trocá-lo por um MOSFET de nível lógico com a mesma pinagem, como o IRLZ44N ou o IRLB8721. Em 3,3 V use um MOSFET garantido a 2,5 V ou um driver de gate.

Motores, relés e solenoides: o diodo de roda livre

Uma bobina se opõe a variações de corrente. Quando o transistor desliga, a bobina mantém a corrente e a tensão dela dispara até algo ceder, normalmente o transistor. Um diodo em paralelo com a carga, com o catodo para o positivo, dá um caminho a essa corrente. Para relés que só ligam e desligam, um 1N4148 (bobinas pequenas) ou um 1N4007 basta; com PWM em um motor, use um diodo Schottky como o 1N5819 (1 A) ou o SS34 (3 A), adequado à corrente da carga.

Lado positivo: MOSFET canal P e conversor de nível

Às vezes a carga precisa continuar ligada ao terra e a chave fica entre a alimentação e a carga. Com um MOSFET canal P, a fonte vai ao positivo e um resistor puxa o gate para a mesma tensão (desligado); um pequeno NPN acionado pelo pino leva o gate ao terra (ligado). O gate vê então toda a tensão de alimentação: acima de 80% do limite do gate, a calculadora acrescenta um divisor. Um pino não consegue acionar o MOSFET canal P diretamente quando a alimentação é maior que a tensão do pino: o MOSFET nunca desligaria.

PWM e perdas de chaveamento

A cada borda o MOSFET passa um instante meio ligado, com tensão e corrente ao mesmo tempo. Um pino de microcontrolador carrega e descarrega o gate com algumas dezenas de miliampères, então um IRLZ44N (48 nC) leva alguns microssegundos por borda: inofensivo a 1 kHz, alguns watts a 20 kHz com 5 A. A calculadora estima isso como ½ × V × I × (tempo de subida + descida) × frequência, com toda a carga de gate, o que erra para o lado seguro. Para PWM rápido, use um MOSFET pequeno com pouca carga de gate ou um driver.

Os transistores da lista

Valores máximos garantidos a 25 °C, dos datasheets dos fabricantes (onsemi, CJ, Alpha & Omega, Vishay, Infineon). Com 3,3 V e com 5 V: a RDS(on) garantida com essa tensão de gate. A θJA é medida na placa de teste de cada fabricante, cerca de 6,5 cm² de cobre para os SOT-23: com menos cobre eles esquentam mais.