Transistores bipolares de junção (TBJ) são transistores que conduzem quando há uma corrente passando por sua base. Neste sentido, eles podem ser encarados como fontes de corrente controladas a corrente.
Já os transistores do tipo MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) conduzem quando uma tensão é aplicada no seu terminal de gate, ou porta. Neste sentido, em princípio eles exigem pouquíssima corrente, o que os torna mais adequados para uso com microcontroladores. Além disso, dependendo das correntes envolvidas, pode não ser necessário utilizar um resistor no gate, que é obrigatório no TBJ.
Existem dois tipos básicos de MOSFETs: os de depleção (depletion) e os de intensificação (enhancement). Os MOSFETs de depleção costumam estar sempre ativos, exigindo uma tensão no gate para serem abertos. Já os de intensificação costumam estar abertos, exigindo uma tensão para fechá-los. Os de intensificação são os mais comuns e esta página trata sobre MOSFETs de potência deste tipo.
Ainda, os MOSFETs podem ser classificados como canal-N e canal-P, ou seja, canais negativos ou positivos. Ambos podem ser utilizados no acionamento de dispositivos de potência, e muitas vezes ambos podem ser usados ao mesmo tempo, como por exemplo em uma Ponte-H.
Limitações do Gate
Atenção especial deve ser dada para evitar ultrapassar a tensão máxima no gate. Isto vem do fato da camada de óxido do gate ser muito fina e por isso seu dielétrico pode ser facilmente rompido, danificando o componente.
Mesmo com a tensão de acionamento do gate sendo mantida em níveis abaixo do máximo, é possível danificar o gate devido às suas indutância e capacitância intrínsecas. Além disso, também é possível alcançar tensões superiores à desejada a partir de transientes no circuito de drain, alcançando o gate através da capacitância drain-gate. Ou seja, transientes entre os terminais drain-source (como os causados pelo próprio acionamento do FET) causam transientes no gate.
Podem ser usados diodos do tipo zener para proteger o gate de transientes impondo uma limitação na tensão. Todavia, esta medida também pode atrapalhar, pois isto causa oscilações e a redução da impedância no gate (o que agrava problemas causados por alta impedância no driver do gate). Se for realmente necessário o uso do diodo zener, é recomendado usar uma resistência pequena entre o zener e o gate.
Este resistor também pode ser usado para limitar a corrente causada pela capacitância do gate, caso o driver não aguente as correntes no transiente. No entanto, isso faz com que o chaveamento demore ainda mais, aumentando a dissipação causada pelo chaveamento. A melhor solução para este caso é utilizar um driver próprio para MOSFETs, capazes de prover grandes correntes nos transientes.
Gate drive
A maioria dos MOSFETs de potência têm seu \(r_{DS(on)}\) especificado para Vgs=10V ou mais, sendo que alguns exigem no mínimo 4V simplesmente para serem acionados, exigindo muito mais para alcançarem suas especificações máximas. Normalmente, os datasheets destes FETs possuem um gráfico \(V_{DS}\times I_D\) onde aparecem várias curvas para Vgs diferentes e é possível ver esta característica claramente. Para piorar a situação, nem sempre as saídas lógicas têm seu valor bem definido. Um Atmega328p, o microcontrolador usado no Arduino, quando alimentado a 5V tem sua saída mínima de 4.2V quando em alto. Ou seja, no pior caso mal consegue acionar o MOSFET, quiçá chegar em sua especificação máxima de corrente. Imagine então se ele for operar em uma tensão mais baixa, como os 3.3V máximos da maioria dos microcontroladores ARM: o FET nem irá ser acionado.
Para evitar este problema, pode-se ou usar um MOSFET de nível lógico ou um driver.
Um MOSFET de nível lógico é um transistor preparado com uma camada mais fina de óxido no gate, o que diminui sua tensão de threshold. Isso permite seu acionamento a partir de dispositivos lógicos normalmente de 5V (sem limitação na corrente) e até mesmo de 3.3V (com limitação na corrente devido a Vgs).
A segunda solução é usar um driver. Existem vários tipos de drivers de gate. Os mais usados em aplicações simples são os feitos com optoacopladores (como o 4n27, SFH6701 e TLP621) ou os drivers próprios pra MOSFETs (como o TC4426/7/8).
Para dimensionar o driver, use a calculadora abaixo.