MOSFET: cos’è, come funziona e come si pilota
Il MOSFET è uno dei transistor più usati nell’elettronica moderna, soprattutto quando dobbiamo commutare correnti elevate con poche perdite. È pilotato dalla tensione tra gate e source, ma concetti come VGS(th), RDS(on), carica di gate e dissipazione vengono spesso interpretati male. In questa guida vediamo come funziona, come scegliere un N-channel o P-channel e come pilotarlo correttamente con Arduino, ESP32 e circuiti digitali.
Che cos’è un MOSFET?
MOSFET significa Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor. È un transistor a effetto di campo nel quale la conducibilità del canale tra drain e source viene controllata dal campo elettrico prodotto dalla tensione applicata al gate.
Gate
Terminale di controllo, idealmente isolato dal canale.
Drain–Source
Percorso principale della corrente quando il MOSFET è acceso.
Bassa perdita
In conduzione può avere una RDS(on) di pochi milliohm.
Gate, drain e source
| Terminale | Funzione |
|---|---|
| Gate (G) | Controlla il canale tramite VGS. |
| Drain (D) | Uno dei terminali principali del percorso di corrente. |
| Source (S) | Terminale di riferimento per la tensione di gate. |
Come si forma il canale
Consideriamo un MOSFET N-channel enhancement, il tipo più comune per gli switch low-side. Quando VGS è troppo bassa, non esiste un canale conduttivo sufficientemente forte tra drain e source. Aumentando VGS, il campo elettrico al gate modifica la distribuzione dei portatori e crea un canale N.
N-channel e P-channel
N-channel MOSFET
- molto usato come switch low-side;
- si accende rendendo il gate più positivo del source;
- normalmente offre RDS(on) più bassa a parità di dimensioni.
P-channel MOSFET
- comodo negli switch high-side semplici;
- si accende rendendo il gate più negativo del source;
- può avere RDS(on) maggiore di un N-channel equivalente.
La tensione VGS
VGS = 3,3 − 0 = 3,3 V.
VGS = 5 − 12 = −7 V.
Questo valore può accendere un P-MOSFET ma sarebbe una condizione completamente diversa per un N-MOS.
VGS(th): la soglia più fraintesa del MOSFET
La gate threshold voltage è la VGS alla quale il MOSFET inizia a condurre una piccolissima corrente definita dal datasheet, spesso poche centinaia di µA.
RDS(on): la resistenza del MOSFET acceso
Quando il MOSFET è completamente pilotato, il percorso drain-source può essere modellato approssimativamente come una piccola resistenza.
P ≈ 5² × 0,020 = 0,5 W.
Il body diode interno
Nei MOSFET di potenza la struttura fisica genera un diodo intrinseco tra source e drain, chiamato body diode.
Il gate si comporta come una capacità
Anche se la corrente DC del gate è quasi nulla, per cambiare stato bisogna spostare carica sulle capacità interne. Il parametro più utile per la commutazione è spesso la gate charge Qg.
IG,avg ≈ 30 nC × 20.000 = 0,6 mA.
Perché si usa una resistenza in serie al gate?
Una piccola resistenza tra driver e gate limita la corrente impulsiva, smorza oscillazioni e permette di controllare la velocità di commutazione.
| Valore indicativo | Effetto |
|---|---|
| Molto basso | Commutazione rapida ma maggiori picchi, ringing ed EMI. |
| Moderato | Compromesso tra velocità, EMI e stress del driver. |
| Troppo alto | Commutazione lenta e maggiori perdite durante le transizioni. |
Resistenza pull-down o pull-up sul gate
Quando il microcontrollore è in reset o il pin è flottante, il gate può caricarsi accidentalmente. Per garantire uno stato definito si usa una resistenza.
Gate → 10 kΩ circa → GNDGate → pull-up verso source10 kΩ è un valore comune, non obbligatorio: si scelgono valori compatibili con velocità, consumi e ambiente elettrico.
N-MOSFET come interruttore low-side
È una delle configurazioni più semplici ed efficienti.
→ carico→ GND→ GPIO tramite Rgate→ pull-down → GNDP-MOSFET come interruttore high-side
Un P-channel permette di mettere l’interruttore tra alimentazione positiva e carico.
MOSFET e PWM
Il MOSFET è particolarmente adatto a pilotare carichi con PWM: LED, motori, riscaldatori e convertitori. Ma aumentando la frequenza crescono le perdite di commutazione.
Pilotare un MOSFET con Arduino a 5 V
Con un Arduino a logica 5 V possiamo usare un MOSFET che abbia una RDS(on) garantita a 4,5–5 V.
gate → pull-down → GND
source → GND
drain → carico
Per carichi induttivi aggiungi la protezione appropriata, per esempio un diodo flyback nei semplici carichi DC.
Pilotare un MOSFET con ESP32 a 3,3 V
Con ESP32 bisogna essere più selettivi: molti MOSFET “logic-level” storici sono garantiti bene soltanto a 4,5 V.
Perdite, temperatura e dissipazione
Le perdite principali sono:
- perdite di conduzione;
- perdite di commutazione;
- perdite del body diode;
- eventuali perdite nel gate driver.
Quando serve un gate driver?
Alta frequenza
Serve caricare il gate molto rapidamente.
Gate charge elevata
Un GPIO può essere troppo lento.
High-side N-MOS
Può servire una tensione di gate superiore alla tensione del source.
Parametri importanti nel datasheet MOSFET
| Parametro | Significato |
|---|---|
| VDS max | Tensione massima drain-source. |
| ID | Corrente drain massima in specifiche condizioni termiche. |
| VGS max | Tensione massima gate-source. |
| VGS(th) | Soglia iniziale di conduzione: non indica full-ON. |
| RDS(on) | Resistenza in conduzione alla VGS specificata. |
| Qg | Carica totale di gate. |
| Qgd | Gate-drain charge / regione Miller. |
| Ciss | Capacità di ingresso equivalente. |
| SOA | Safe Operating Area. |
| RθJC / RθJA | Resistenze termiche. |
| Tj max | Temperatura massima della giunzione. |
Errori comuni con i MOSFET
- confondere drain e source;
- usare VGS(th) come tensione di piena accensione;
- scegliere un MOSFET da 10 V di gate per un ESP32 a 3,3 V;
- lasciare il gate flottante;
- dimenticare la resistenza di gate quando il circuito è veloce o rumoroso;
- ignorare il body diode;
- superare VGS max;
- guardare solo ID max senza verificare temperatura e SOA;
- ignorare l’aumento di RDS(on) con la temperatura;
- usare un GPIO direttamente a frequenze elevate con MOSFET ad alta gate charge.