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Un transistor MOSFET a canale N può essere assimilato con un transistor a giunzione NPN

dove gate e base sono i rispettivi elettrodi di controllo della conduzione che avviene tra drain-source nel MOSFET e collettore-emettitore nel BJT. La differenza sostanziale tra i due semiconduttori consiste proprio nel modo in cui viene controllata questa corrente.

Essenzialmente, la corrente di collettore di un BJT è pari alla corrente di base moltiplicato per il guadagno del transistore, che, quindi, si comporta come un amplificatore.

Per contro, un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor FET - transistor FET a ossidi metallici) è un dispositivo controllato dalla tensione applicata al gate. In funzione di questa tensione, il circuito tra drain e source si comporta come una resistenza variabile, il cui valore dipende dalla tensione tra gate e source (Vgs).
Se la tensione è 0 volt, la resistenza sarà molto alta, diversi megaohm, e il MOSFET si comporterà come un interruttore aperto. Se la V_gsè al di sopra di un certo livello, la resistenza sarà molto bassa, ohm o frazioni di ohm, e il MOSFET si comporterà come un interruttore chiuso.

Il foglio dati del componente indica il valore minimo di questa resistenza drain-source R_ds, che, in alcuni modelli può scendere a millesimi di ohm.
Come per il transistor BJT, in questa applicazione non ci interessa il comportamento lineare del circuito drain-source in funzione della V_gs; essenzialmente ci interessano le condizioni limite di non conduzione e di massima conduzione: il MOSFET viene utilizzato come un interruttore aperto/chiuso.

Dal punto di vista del microcontroller o della logica che comanda il gate del MOSFET, esso si presenta come un condensatore; l'unica corrente richiesta è quella necessaria per caricare o scaricare questa capacità. Una volta che il condensatore sia caricato, nessuna ulteriore corrente scorrerà dal pin del microcontroller fino a che non se ne cambierà il livello di tensione.

Se applicando una adeguata corrente alla base del transistor BJT possiamo portarlo in saturazione, ovvero nello stato di conduzione in cui la caduta di tensione nella giunzione C-E è la minima, così, applicando una adeguata tensione al gate del MOSFET possiamo ridurre al minimo la sua resistenza di conduzione: la massima corrente possibile scorrerà tra drain e source.

Ne risulta che sarà necessaria una energia complessiva inferiore per controllare il gate del MOSFET rispetto alla base del transistor e che le perdite in conduzione saranno dalle 2 alle 10 volte e più minori nel MOSFET.
Ad esempio, un transistor NPN, con una V_ce(sat)= 0,7V commuta una corrente di 10A. Sulla giunzione sarà dissipata in calore una potenza:

Se al posto dell' NPN inseriamo un MOSFET con una resistenza minima di 18 mohm, si avrà:

con una riduzione del 75% dell' energia persa in calore, che si trasforma non solo in risparmio energetico, ma nella riduzione del costo e del volume del dissipatore.

La soluzione al punto 3 è piuttosto semplice: per un collegamento diretto del microcontroller con il gate di un MOSFET occorrerà scegliere un componente definito Logic Level, ovvero con tensione V_gs inferiore ai 5V. Questo è assolutamente indispensabile se vogliamo comandare il gate del MOSFET direttamente dal pin del microcontroller.
Per gli altri punti, i driver dei pin di un microcontroller hanno solitamente sufficiente capacità di corrente per portare in conduzione in modo ragionevole il MOSFET. Ma, come abbiamo detto, il gate richiede una tensione minima per ottenere la migliore resistenza in conduzione: se la tensione applicata non è sufficiente, il MOSFET entra in conduzione, ma con una resistenza molto più elevata del minimo e questo determina un inutile e indesiderato riscaldamento del componente.

Per buona parte dei MOSFET la tensione di gate si aggira attorno a valori tra 8 e 12V. Mentre la logica del microcontroller è alimentata a 5V. Ne deriva che occorrerà un MOSFET la cui tensione di gate sia inferiore a 5V per la conduzione. I dispositivi Logic gate hanno appunto V_gs attorno ai 4.2V e quindi sono quelli adatti ad essere comandati direttamente da una uscita a livello logico.

Se la tensione di alimentazione del microcontroller è minore di 5V potrebbe essere difficile trovare MOSFET adeguati; in tal caso occorrerà inserire un gate driver, ovvero un apposito circuito di pilotaggio del gate che fornisca la tensone necessaria. Altrettanto sarà indispensabile se si vuole utilizzare un MOSFET non - Logic Level . Se così non si facesse, si avrebbe probabilmente l' accensione del MOSFET, ma in una condizione di resistenza elevata, con il rischio di danneggiare il componente e pilotare malamente il carico.

Dunque, se non si utilizzano gate driver

nella scelta del MOSFET è d' obbligo la verifica che si tratti di un componente Logic Level.

In pratica, il MOSFET agisce come un interruttore, azionato dalla corrente di base. Avendo il riferimento alla massa, in inglese questa soluzione si definisce "low side switch".

Dal punto di vista del carico, si tratta di una logica "positiva":

port	Q1	carico
L	off	non alimentato
H	on	alimentato

Dal punto di vista del transistor, però, si tratta di una logica invertente:

port	Q1	tensione al drain di Q1
L	off	H
H	on	L

Il transistor Q1, MOSFET a canale N, è collegato con il source alla massa comune; la configurazione, analogamente a quella del transistor NPN, si definisce open drain.

Il carico Rl è collegato al drain ed è alimentato da una tensione V_cc che può essere diversa da quella che alimenta il microcontroller e superiore ad essa per quanto è consentito dalle caratteristiche del transistor.

Siccome vogliamo che il MOSFET si comporti come un interruttore aperto/chiuso, senza situazioni intermedie, non ci sarà alcun problema sul valore della corrente emessa dal pin del port, bensì sul valore della sua tensione, che dovrà essere tale, a condensatore caricato, da superare la V_gs.

Anche qui la tensione al carico può essere la stessa di quella di alimentazione del microcontroller, o maggiore o minore, assolvendo alle seguenti funzioni:

Vcc = Vdd	il MOSFET, non richiedendo corrente di mantenimento, ma solo tensione, consente al pin del microcontroller di comandare un carico alla stessa tensione, ma con corrente maggiore di quella fornibile direttamente dal pin
Vcc < Vdd	l' open drain, isolando il circuito gate-source dal circuito drain-source, consente al pin del microcontroller di comandare un carico con tensione e corrente maggiori di quelle supportabili direttamente
Vcc > Vdd	è possibile comandare un circuito con tensione minore di quella del microcontroller e realizzare così un convertitore di livello, ad esempio da 5 a 3V.
In tutti i casi, però, il circuito del microcontroller e quello del carico non sono isolati galvanicamente, avendo la massa in comune. Se è necessario questo genere di isolamento, si dovrà provvedere con un circuito adeguato.

Altre caratteristiche che fanno preferire i MOSFET nelle applicazioni di potenza sono:

Per contro, il controllo della corrente attraverso la polarizzazione della giunzione base-emettitore
garantisce elevata sensibilità della corrente di uscita dalla tensione di controllo, ovvero è possibile passare da una corrente minima a quella massima per variazioni della tensione di controllo di pochi decimi di volt. In un MOSFET possono essere necessari alcuni volt (la gm è in genere molto inferiore). Da qui l' utilità dei circuiti di gate driver.
In definitiva, come regola generale si può affermare che i BJT sono preferibili per applicazioni analogiche (amplificazione), mentre i MOSFET sono preferibili per applicazioni switching, che è l'argomento di cui stiamo trattando.

Supponiamo di dover comandare un carico che assorbe 150mA a 12V di alimentazione.
Esso non può essere comandato direttamente da un pin del microcontroller, sia a causa della corrente elevata, sia per la tensione superiore alla Vdd.
Interponiamo allora un transistore MOSFET; data la basse corrente/tensione in gioco andrà bene un elemento comune per uso generale, come ad esempio 2N7000, ZVN4210, BS170 e simili, in T0-92.
Sarà necessario verificare il foglio dati del componente per rilevare se la massima corrente e la massima tensione sono adeguate all' applicazione.
Ad esempio, per il BS170G di OnSemi, il foglio dati indica:

Non essendo necessaria una corrente di gate continua, non occorre alcun calcolo.

La R1 che si trova in serie al gate è opzionale ed ha lo scopo di limitare il picco di corrente che carica il condensatore di gate. Il suo valore non è critico e può variare tra 10 e 100 ohm circa.

La resistenza è necessaria per proteggere il transistor da possibili oscillazioni e da correnti di picco nel gate quando si comanda un carico induttivo.

R1 rallenta il MOSFET in accensione e spegnimento e questo può essere indispensabile per evitare EMI (che aumentano la potenza dissipata) e per il controllo dell'oscillazione spuria che può innescarsi a causa delle induttanze tra il circuito di pilotaggio del gate e la capacità di ingresso del MOSFET

Per quanto visto, se ne deduce che la sostituzione di un transistor BJT con un MOSFET in questo genere di applicazione è sempre vantaggiosa. E' possibile che piccoli transistor per uso generico costino qualche cosa di meno di piccoli MOSFET, ma anche in questi casi la scelta del MOSFET si può rivelare vantaggiosa per la semplificazione del circuito e la riduzione del calore.

Particolare interessante, essendo minore la dissipazione nei MOSFET, si potranno utilizzare elementi in piccolissimi contenitori, come i SOT-23 SMD.
Il campo applicativo è ampio: comando di LED, di display a 7 segmenti, di relè, cicalini e così via, a sostituire i vari BC547, 2N2222, 2N3906, ecc.

Supponiamo di dover comandare un solenoide (relè, elettrovalvola, motore) o comunque un carico dotato di induttanza (quindi qualsiasi circuito con avvolgimenti su un nucleo di ferro).

Diventa obbligatoria l' aggiunta del diodo D1, con lo scopo di assorbire il picco di corrente inversa generata dalla bobina dell'induttore al momento dello spegnimento.
Nell' induttanza una grande quantità di energia viene immagazzinata nel campo magnetico quando l' avvolgimento è attraversato da corrente.

Quando la corrente cessa, sopratutto in modo istantaneo (a 4MHz di clock una istruzione del microcontroller è eseguita in 1 us), questa energia si scarica sul circuito e, combinata con l' alta resistenza del transistor in blocco, si traduce in una tensione elevata, anche molte centinaia di volt, tale da danneggiare irreparabilmente la giunzione del transistor stesso e, spesso, anche il pin del microcontroller.

Il diodo ha lo scopo di fornire una via a bassa impedenza per scaricare questa energia.

Per piccoli carichi, come relè da circuito stampato e simili, il tipo di diodo non è particolarmente legante: vanno bene rettificatori generici come gli 1N4001/2/7. Nel caso carichi maggiori, come solenoidi o piccoli motori, possono essere usati con maggior vantaggio diodi fast recovery, come MUR3005PT, BYW92-50, MUR500 e simili. Carichi induttivi particolari, con elevata potenza, potranno però richiedere circuiti di comando più complessi.

R1 è vivamente consigliata a protezione sia del gate che del pin del microcontroller. Il suo valore potrà essere attorno ai 100 ohm.
R2 ha la funzione di pull-down per mantenere bloccato il MOSFET nella fase di POR del microcontroller, dove il port non è ancora configurato come uscita. Il suo valore potrà essere attorno alle decine di kiloohm.

Nel caso in cui la potenza da commutare sia elevata, la scelta del MOSFET è migliore di quella del BJT: come abbiamo visto, rispetto al transistor bipolare, non esiste più problema di guadagno e la potenza persa in calore sulla giunzione è decisamente inferiore. Quindi:

dispositivi più freddi
eventuali sistemi di raffreddamento meno impegnativi
maggiore scelta di dispositivi per corrente, tensione, package, ecc.
maggiore frequenza di commutazione possibile

a fronte di costi per componente che possono essere perfino più bassi, sopratutto dove sono richieste elevate prestazioni.

Sarà sempre necessario valutare la potenza dissipata nel transistor. Nel caso di comando di relè cablati sul circuito stampato, le correnti in gioco sono limitate a 100-200 mA o meno, quindi non ci sono rischi di riscaldamento. Nel caso di relè di dimensioni maggiori o di elettrovalvole e motori, sarà indispensabile selezionare il transistore per la corrente/tensione richieste e valutare la necessità di un dissipatore.

Se la corrente richiesta è più elevata di quella trattabile da un MOSFET in TO-92, sono disponibili in commercio elementi in TO-220, TO-247. TO-3 e in packages per SMD o speciali per grandi potenze, in grado di commutare molte decine di ampere a tensioni elevate.

In ogni caso, se intendiamo comandare il MOSFET direttamente dal pin del microcontroller, ricordiamo che è obbligatoria la scelta di un modello LOGIC LEVEL.

Quanto detto riguarda un comando ON/OFF "statico", ovvero azionando il transistor come un interruttore acceso/spento.

Questa configurazione può essere, però, usata anche comandando la base del transistor con impulsi, ad esempio in PWM, anche se può rendersi necessaria una maggiore complessità del circuito a seconda del tipo di carico, sopratutto in funzione dei tempi di commutazione richiesti. In particolare, per ottimizzare la commutazione, è possibile che si renda necessario l' uso di un gate driver anche con MOSFET Logic Level.

Comandare carichi

Interruttore low side con MOSFET.