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).
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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La soluzione 4N25 cerca di limitare le interferenze con una soluzione optoisolata, attraverso appunto un fototransistor. Qui un link di approfondimento http://it.emcelettronica.com/gestione-degli-io-e-dellusb-con-loptoisolamento
Interessante articolo! Una domanda… si potrebbe utilizzare anche nel campo audio? Vorrei usarlo come switch on-off per chitarra elettrica pilotato da arduino.
Da capire il range di corrente ma non ci dovrebbero essere problemi.
In realtà le chitarre sono generalmente alimentate con batterie da 9V (quelle che hanno una circuiteria attiva), mentre quelle che hanno circuito passivo “prendono” l’alimentazione dalla linea alla quale sono collegate; a questo punto, bisognerebbe più che altro pensare a che preamplificatore mettere a monte del MOSFET, in quanto ci vorrebbe un qualche circuito attivo che faccia aumentare il segnale in ingresso.
Io non sono molto pratico di chitarre elettriche ma non penso che sia necessario usare questo circuito che è più adatto per carichi molto più grandi.
Un semplice switch isolato lo si ottiene con un piccolo reed relay comandato da Arduino con un transistore NPN. Per commutare i segnali si possono usare anche i multiplexer analogici tipo CD4051-53, ma è meglio isolarli con optoisolatori per evitare l’inevitabile rumore prodotto dai microcontrollori.
Ciao a tutti
Sono un nuovo abbonato e da non molto mi sono appassionato ad Arduino…E me la cavo meglio in informatica che non in elettronica…
Se io volessi usare un sistema simile per comandare on/off una pompa a 230v da 50w…Come potrei fare e soprattutto se è possibile quali pezzi mi servirebbero? Vorrei cercare una soluzione magari più economica ad un relè…
Avevo anche letto in giro di forum… Ma dove lo trovo?
Ciao ciao
Salve Stefano,
a mio parere la soluzione con relè è da preferirsi in queste situazioni (carico induttivo 50w).
Riguardo al Forum, posso dirti che non è più presente sul sito, ma puoi scrivere sul nostro gruppo LinkedIn riservato agli abbonati 😉
Ricapitolando: se hai una richiesta specifica su un tema trattato in un articolo, puoi scrivere nei commenti (come hai fatto ora). Se invece hai una richiesta nuova, che non trova corrispondenza in articoli pubblicati, allora puoi usare i gruppo LinkedIn (che potrebbe definirsi, sotto certi aspetti, l’evoluzione del forum)
https://www.linkedin.com/groups/3899727
Ok appena potrò proverò il gruppo x vedere e valutare più possibilità… Grazie mille
Salve Stefano,
il mio articolo si riferisce a carichi, resistivi o induttivi, in corrente continua. Per carichi induttivi in corrente alternata sono molto validi i relè statici. Inseriscono o disinseriscono il carico al passaggio dello zero e non hanno i problemi di scintillazione sui contatti dei relè elettromeccanici creati dallo stacco della corrente sui carichi induttivi. Anche loro sono optoisolati. Per chi ha dimestichezza con l’elettronica si può auto-costruirli con un optotriac che pilota un triac di potenza e pochi altri componenti.