Pilotaggio di un mosfet di potenza con un microcontrollore

In questo articolo viene presentato un circuito semplice ed economico per pilotare con un microcontrollore un transistor Mosfet di potenza che può essere utilizzato con impulsi PWM o come relè statico in corrente continua. Esso funziona fino a circa 60 kHz e permette un completo isolamento con livelli d’ingresso a partire da 3,3 V. Lo scopo di questo articolo non è quello di spiegare nel dettaglio il funzionamento di questi semiconduttori ma di studiare un'economica e semplice interfaccia per connetterli con sistemi tipo Arduino o PIC. Dopo un’introduzione teorica sul funzionamento dei transistori Enhancement Mode Mosfet e sulle caratteristiche richieste ai circuiti di pilotaggio, si passa alla descrizione della soluzione adottata e alle misure effettuate sul prototipo.

Il transistor MOSFET di potenza

Il transistore Mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) fu realizzato nel 1959, poco più di un decennio dopo il transistor bipolare (Bipolar Junction Transistor) e ha trovato numerose applicazioni soprattutto nell’elettronica di potenza: alimentatori switching e controllo motori. Scopo di questo articolo non è quello di spiegare nel dettaglio il funzionamento di questi semiconduttori ma di studiare un’economica interfaccia per connetterli con sistemi tipo Arduino o PIC. Le caratteristiche principali che li distinguono rispetto ai BJT sono:

  • alta velocità di commutazione;
  • caratteristiche d’ingresso: pilotaggio in tensione del Gate con alta impedenza Gate/Source e indipendenza dalla corrente sul carico;
  • bassa resistenza Drain-Source, quindi ridotta dissipazione e migliori rendimenti.

Una prima suddivisione è quella basata sulla polarità, secondo il materiale drogante utilizzato, si distinguono due tipi di transistori: N channel MOSFET e P channel MOSFET, in maniera simile a quella dei transistori BJT NPN e PNP.

Si possono distinguere, ancora, due tipi di Mosfet:

  • a incremento, Enhancement Mode Mosfet, quelli più usati nelle applicazioni switching.
  • a svuotamento, Depletion Mode Mosfet, che hanno un comportamento simile agli JFET.

In figura 1 sono mostrati i tipici simboli dei Mosfet a incremento (Enhancement).

Mosfet symb

Figura 1 - Simboli Enhancement Mosfet.

È sempre presente, negli Enhancement Mode Mosfet un diodo (body diode), inversamente polarizzato. Una caratteristica che li distingue è che sono nello stato OFF per una tensione VGS = 0, contrariamente ai Depletion Mode Mosfet che sono ON. Essi iniziano a condurre quando VGS > VGS (th) (Gate-Source threshold voltage), che solitamente va da 2 a 4 V. D’ora in avanti, tratteremo esclusivamente di Mosfet a canale N e di tipo a incremento. A differenza del transistore bipolare che è pilotato in corrente, il Mosfet è pilotato in tensione. Essi possono essere usati in campo lineare o come interruttori ON/OFF, come nell’applicazione proposta.

Il transistore Mosfet è caratterizzato da tre zone di funzionamento:

  • Zona d’interdizione (cut-off region): in questa regione VGS < VGS (th), dove VGS (th) è la tensione di soglia (threshold voltage), sotto la quale la corrente di Drain ID è praticamente nulla (stato OFF).
  • Zona resistiva (ohmic or triode region): il transistore funziona come un resistore controllato dalla tensione di Gate con VGS>VGS (th) e VDS < (VGS – VGS (th)).
  • Zona attiva o di saturazione (active or saturation region): al variare di VDS, la corrente ID rimane costante a parità di VGS. Qui la corrente ID varia con la tensione VGS e non con la VDS, per cui la corrente di Drain si chiama saturata.

La figura 2 mostra le tre regioni del funzionamento di un eMosfet a canale N. La curva quadratica rossa tratteggiata separa la regione resistiva da quella attiva. La tensione BVDSS è il limite massimo della VDS, oltre il quale il Mosfet si può [...]

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9 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 5 gennaio 2017
  2. SyntesyS 9 gennaio 2017
    • Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio Di Paolo Emilio 9 gennaio 2017
      • SyntesyS 9 gennaio 2017
  3. Giovanni Carrera Giovanni Carrera 9 gennaio 2017
  4. stefano 22 gennaio 2017
    • Emanuele Bonanni Emanuele Bonanni 23 gennaio 2017
  5. stefano 23 gennaio 2017
  6. Giovanni Carrera Giovanni Carrera 23 gennaio 2017

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