MOSFET come interruttore elettronico
Il MOSFET è uno dei componenti più usati per commutare carichi elettronici. A differenza del BJT non richiede una corrente continua di pilotaggio sul gate: ciò che conta è applicare una corretta tensione gate-source, caricare e scaricare rapidamente la capacità di gate e scegliere un dispositivo con RDS(on) adeguata.
Come funziona un MOSFET usato come interruttore?
Nel funzionamento come switch vogliamo portare il MOSFET in due condizioni ben definite: spento oppure fortemente in conduzione.
OFF
VGS insufficiente → il canale non conduce in modo utile.
ON
VGS adeguata → RDS(on) bassa → corrente nel carico.
Gate
È isolato: idealmente non assorbe corrente DC continua.
Gate, drain e source
| Terminale | Funzione |
|---|---|
| Gate (G) | Controlla la formazione del canale. |
| Drain (D) | Terminale principale di corrente. |
| Source (S) | Riferimento della tensione VGS. |
MOSFET N-channel come interruttore low-side
È la configurazione più comune: il carico viene collegato tra VCC e drain, mentre il source è collegato a GND.
MOSFET P-channel come interruttore high-side
Per interrompere il lato positivo del carico si può usare un P-channel con source collegato a VCC. Per accenderlo il gate deve essere portato a una tensione più bassa del source.
La tensione VGS controlla la conduzione
Per un N-channel enhancement:
- VGS ≈ 0 V → normalmente spento;
- VGS aumenta → il canale conduce sempre meglio;
- oltre una certa VGS il dispositivo raggiunge la bassa RDS(on) specificata dal produttore.
VGS(th): il parametro più frainteso
La soglia VGS(th) indica la tensione alla quale il MOSFET inizia appena a condurre una piccolissima corrente nelle condizioni di test del datasheet.
Che cos’è un MOSFET logic-level?
Un MOSFET logic-level è progettato per ottenere una bassa RDS(on) con tensioni di gate compatibili con circuiti logici.
RDS(on): la resistenza del MOSFET acceso
Quando il MOSFET è pienamente pilotato si comporta approssimativamente come una piccola resistenza.
RDS(on) = 20 mΩ = 0,02 Ω
VDS ≈ 5 × 0,02 = 0,10 V.
Perdite di conduzione
Il gate non assorbe corrente continua, ma è capacitivo
Il gate è isolato, ma per cambiare VGS bisogna caricare o scaricare capacità interne. Il parametro pratico più utile nelle commutazioni è spesso la gate charge QG.
Resistenza in serie al gate
Una piccola resistenza tra driver e gate può:
- limitare i picchi di corrente del GPIO/driver;
- smorzare ringing e oscillazioni;
- controllare la velocità dei fronti;
- ridurre EMI.
Resistenza pull-down sul gate
Quando il GPIO è in alta impedenza, il gate può rimanere carico e il MOSFET può accendersi accidentalmente. Una resistenza gate-source lo mantiene in uno stato definito.
Pilotare un MOSFET con Arduino a 5 V
Con un Arduino a logica 5 V, molti MOSFET logic-level possono essere pilotati direttamente per applicazioni a frequenza moderata.
Pilotare un MOSFET con ESP32 a 3,3 V
Usare il MOSFET con PWM
Il MOSFET è molto adatto al PWM perché può commutare velocemente e, quando è completamente ON, le perdite di conduzione possono essere basse.
Carichi induttivi: relè, solenoidi e motori
Come con il BJT, quando interrompi la corrente in una bobina l’induttanza tenta di mantenerla in circolo. Senza protezione VDS può superare il limite del MOSFET.
Diodo flyback con MOSFET low-side
Nel classico N-channel low-side, il diodo viene posto in antiparallelo alla bobina: catodo verso VCC e anodo verso drain.
Pilotare un motore DC
Il motore introduce due problemi principali:
- corrente di stallo molto superiore alla corrente nominale;
- energia induttiva e disturbi durante la commutazione.
Dissipazione termica e temperatura di giunzione
θJA = 50 °C/W
TA = 25 °C
TJ ≈ 25 + 1×50 = 75 °C.
SOA e limiti da verificare
| Parametro | Significato |
|---|---|
| VDS | Massima tensione drain-source. |
| ID | Corrente drain massima nelle condizioni specificate. |
| RDS(on) | Resistenza ON alla VGS indicata. |
| VGS(max) | Massima tensione gate-source, spesso ±20 V ma non sempre. |
| QG | Carica totale di gate. |
| PD | Potenza dissipabile. |
| SOA | Safe Operating Area. |
Quando serve un gate driver?
Un GPIO può essere sufficiente per piccoli carichi e basse frequenze. Un driver dedicato diventa utile quando:
- QG è elevata;
- la frequenza PWM è alta;
- servono fronti molto rapidi;
- si pilotano MOSFET high-side;
- si usano half-bridge o full-bridge;
- si vuole ridurre la dissipazione durante le transizioni.
MOSFET vs BJT come interruttore
| BJT | MOSFET |
|---|---|
| Richiede corrente di base continua. | Gate quasi isolato in DC. |
| Perdita ≈ VCE(sat)·IC. | Perdita ≈ I²·RDS(on). |
| Pilotaggio semplice per piccole correnti. | Molto efficace su correnti medio-alte. |
| Possibile saturazione profonda. | Conta soprattutto RDS(on) e VGS. |
| hFE molto variabile. | La corrente di carico non dipende da un guadagno analogo a hFE. |
Errori comuni usando un MOSFET come interruttore
- scegliere il MOSFET guardando soltanto VGS(th);
- non verificare RDS(on) alla reale tensione del GPIO;
- confondere tensione gate-GND con VGS;
- lasciare il gate flottante;
- dimenticare la resistenza pull-down;
- ignorare la gate charge nelle commutazioni veloci;
- non proteggere carichi induttivi;
- dimensionare un motore sulla sola corrente nominale;
- ignorare l’aumento di RDS(on) con la temperatura;
- usare il valore massimo ID del datasheet senza verificare limiti termici e SOA;
- superare VGS(max);
- usare un N-channel high-side senza un pilotaggio gate appropriato.