Tranzystory MOSFET to szybkie elektroniczne przełączniki półprzewodnikowe, sterowane napięciem na bramce. Pozwalają one załączać i wyłączać przepływ dużych prądów za pomocą małego sygnału sterującego z układu logicznego (np. mikrokontrolera). Dzięki temu, że bramka MOSFET-a ma bardzo wysoką rezystancję (praktycznie nie pobiera prądu), można go łatwo sterować bezpośrednio z pinów Arduino czy Raspberry Pi. MOSFET-y świetnie nadają się do regulacji PWM – działają cicho (brak styków) i wytrzymują miliony cykli przełączeń przy zachowaniu odpowiednich parametrów.

Zastosowania modułów z MOSFET-ami

• Sterowanie silnikami i taśmami LED – moduły MOSFET pozwalają np. na zasilanie silnika prądu stałego 12 V o poborze kilku amperów poprzez sygnał z Arduino, co umożliwia regulację prędkości obrotowej (przez PWM) lub zwykłe włącz/wyłącz bez potrzeby stosowania przekaźnika. Podobnie, można płynnie ściemniać długie taśmy LED (np. 5 m LED RGB) wykorzystując tranzystor MOSFET jako element wykonawczy w układzie oświetleniowym.

• Elementy grzejne i duże obciążenia – MOSFET-y sprawdzają się w roli elektronicznych włączników dla grzałek, rezystorów dużej mocy czy innych obciążeń wymagających wysokich prądów. Np. w drukarkach 3D stosuje się zewnętrzne moduły MOSFET do stołów grzejnych, aby odciążyć główną elektronikę od prądów rzędu 20 A. Taki moduł pozwala zasilać elementy grzejne 12–24 V bez ryzyka przeciążenia płyty sterującej.

• Szybkie przełączanie i regulatory – dzięki zdolności do częstego przełączania, tranzystory MOSFET wykorzystuje się w przetwornicach DC-DC, regulatorach impulsowych, sterownikach LED o zmiennej jasności itp. W projektach DIY moduły MOSFET mogą posłużyć np. do zbudowania własnego regulatora mocy do lutownicy, ściemniacza dużej mocy czy kontrolera prędkości wentylatora.

Przykładowe moduły MOSFET w ofercie

• Uniwersalny sterownik PWM MOSFET (XY-MOS) – kompaktowy moduł z tranzystorem mocy i układem sterującym bramką, umożliwiający płynne załączanie obciążeń DC do ok. 15 A przy napięciu od 5 do 36 V. Sterowanie odbywa się sygnałem logicznym 3,3 V lub 5 V (np. bezpośrednio z Arduino). Świetnie nadaje się do regulacji jasności taśm LED, prędkości silników czy pomp. Dodatkowo posiada izolację optyczną wejścia, chroniąc układ sterujący.

• Moduł MOSFET IRF520 – prosty moduł z popularnym tranzystorem IRF520. Może sterować niewielkimi obciążeniami (do ok. 1–2 A) przy napięciach do 24 V. Trzeba pamiętać, że IRF520 potrzebuje wyższego napięcia bramki do pełnego otwarcia (ok. 10 V), więc przy sterowaniu 5 V jego możliwości są ograniczone – sprawdzi się głównie w małych projektach demonstracyjnych.

• Moduł MOSFET do drukarki 3D (25 A) – specjalizowany moduł z dużym tranzystorem o niskiej rezystancji, osadzony na płytce z radiatorami i złączami śrubowymi. Zaprojektowany do prądów rzędu 20–30 A przy zasilaniu 12–24 V (np. stół grzejny lub potężne paski LED). Posiada wejście sterujące (sygnał PWM 5 V) oraz grube zaciski do zasilacza i obciążenia. Taki moduł odciąża główną elektronikę urządzenia i zapewnia stabilną pracę wysokoprądowych elementów.

O czym pamiętać, używając modułów z MOSFET?

• Wspólna masa i typ tranzystora – Większość modułów wykorzystuje tranzystor typu N-MOSFET, który załącza obwód od strony masy. Dlatego obciążenie podłącza się między +V a drenem MOSFET-a, a źródło MOSFET-a do masy. Koniecznie połącz masę układu sterującego z masą obciążenia – inaczej sterowanie nie zadziała prawidłowo.

• Napięcie bramki – Upewnij się, że tranzystor na module jest logic-level, czyli w pełni otwiera się przy napięciu sterującym 5 V (a najlepiej i 3,3 V). Większość gotowych modułów dobiera odpowiednie MOSFET-y, ale jeśli korzystasz z innego tranzystora, sprawdź jego parametry R_DS(on) przy danym V_GS, by uniknąć nadmiernego nagrzewania.

• Prąd i chłodzenie – Przy sterowaniu dużych prądów MOSFET generuje ciepło (ze względu na rezystancję kanału). Jeśli zbliżasz się do granicznego obciążenia modułu, zadbaj o dodatkowe chłodzenie tranzystora (radiator, wentylacja) i nie przekraczaj dopuszczalnego prądu ciągłego.

• Obciążenia indukcyjne – Gdy sterujesz indukcyjnym elementem (silnik, cewka, elektromagnes), stosuj diodę wolnego biegu (flyback) równolegle do obciążenia lub upewnij się, że moduł taką posiada. To zabezpieczy tranzystor przed szpilkami napięciowymi podczas wyłączania obciążenia.

• Sterowanie PWM – Moduły MOSFET dobrze współpracują z sygnałami PWM o częstotliwościach rzędu kilkuset Hz do kilkunastu kHz. Jeśli zauważysz, że MOSFET mocno się grzeje mimo odpowiednich parametrów, może to oznaczać zbyt wysoką częstotliwość lub zbyt wolne narastanie sygnału bramki. Wtedy warto obniżyć częstotliwość PWM lub użyć wydajniejszego drivera bramki, aby poprawić szybkość przełączania.

FAQ – Mosfety

Czy tranzystor MOSFET zastępuje przekaźnik?
W wielu przypadkach tak – MOSFET może pełnić rolę elektronicznego przekaźnika. Ma kilka zalet: brak części mechanicznych (cichsze działanie, brak zużycia styków), bardzo szybkie przełączanie (idealne do PWM) i mniejsze straty napięcia przy przewodzeniu (jeśli dobrze dobrany). Jednak są sytuacje, gdzie klasyczny przekaźnik bywa prostszy: np. jeśli chcemy załączać bezpośrednio sieciowe 230 V AC lub potrzebujemy całkowitego odizolowania galwanicznego – wtedy MOSFET nie wystarczy, trzeba użyć przekaźnika lub dodatkowo optoizolacji. Dla obciążeń prądu stałego do kilkudziesięciu amperów MOSFET-y są często lepszym wyborem, zwłaszcza w układach sterowanych automatycznie (bo można je płynnie modulować).

Jak podłączyć moduł MOSFET do Arduino?
Większość gotowych modułów MOSFET ma 3-pinowe złącze do sterowania: sygnał (oznaczany np. jako SIG lub Gate), plus (VCC, często 5 V potrzebne do układu optoizolacji) i minus (GND). Aby podłączyć do Arduino, łączysz GND modułu z GND Arduino, pin sygnałowy z wybranym wyjściem cyfrowym Arduino (pinem PWM, jeśli chcesz używać modulacji), a VCC (jeśli jest wymagane) z 5 V Arduino. Po stronie obciążenia moduł posiada zwykle dwa duże złącza śrubowe: jedno do zasilacza (V+ i GND) i drugie do obciążenia (OUT+ i OUT-, lub podobnie). Przy sterowaniu „low side” obciążenie podłączasz między plus zasilania a wyjście modułu (które poprzez MOSFET dołącza je do masy). Ważne jest, by masa Arduino i zasilania obciążenia była wspólna. Gdy w programie ustawisz wyjście Arduino w stan wysoki, MOSFET się otworzy i popłynie prąd przez obciążenie do masy; stan niski wyłącza przepływ.

Co to znaczy, że MOSFET jest logic-level?
Termin logic-level MOSFET oznacza tranzystor, który osiąga pełne (lub prawie pełne) otwarcie kanału przy napięciach logicznych, czyli zwykle 5 V, a nieraz nawet 3,3 V na bramce. Standardowe MOSFET-y mocy (często o oznaczeniach zaczynających się od IRF, jak IRFZ44N) są zaprojektowane do pracy przy 10 V na bramce – poniżej tej wartości nie rozwierają się całkowicie, co skutkuje dużym oporem i grzaniem. Dla mikrokontrolera, który daje maksymalnie 5 V (lub 3,3 V), potrzebny jest MOSFET o niskim napięciu progowym i małej rezystancji R_DS(on) przy tychże napięciach. Takie tranzystory często mają w nazwie literę „L” (np. IRLZ44N) lub są specjalnie opisane w dokumentacji jako logic-level. Korzystając z gotowych modułów dedykowanych do Arduino/RPi, możemy założyć, że użyty został MOSFET logic-level.

Czy potrzebuję radiatora do modułu MOSFET?
To zależy od prądu, jaki płynie przez tranzystor i od tego, jak długo jest załączony. Jeśli sterujesz np. kilkoma LED-ami lub małym silniczkiem pobierającym 0,5 A, to tranzystor nawet się nie zagrzeje i radiator nie jest potrzebny. Natomiast gdy w grę wchodzą większe obciążenia – kilkanaście amperów ciągłego prądu – tranzystor będzie wydzielał ciepło. Mimo że ma on niski opór (np. 0,005 Ω), to przy 20 A daje to 2 W strat mocy, które trzeba rozproszyć. Dlatego moduły do wysokich prądów mają fabrycznie przymocowane radiatory lub duże powierzchnie miedziane na płytce. Jeśli Twój moduł MOSFET jest mały i nie ma radiatora, a planujesz puścić przez niego powiedzmy 10 A, to warto dokręcić do MOSFET-a własny radiator (jeśli ma otwory montażowe), ewentualnie zapewnić aktywne chłodzenie powietrzem. Dobrą praktyką jest test: dotknij ostrożnie tranzystora po pewnym czasie pracy (ale uważaj, by się nie oparzyć). Jeżeli jest tylko lekko ciepły, wszystko w porządku. Jeśli parzy – konieczne jest lepsze chłodzenie lub zmniejszenie obciążenia.

Co oznacza dioda na module MOSFET?
Większość tranzystorów MOSFET ma wewnętrzną diodę tzw. pasożytniczą (body diode), która jest podłączona między dren a źródło (przewodzi od źródła do drenu w przypadku MOSFET-a typu N). Dodatkowo, na module może być umieszczona zewnętrzna dioda zabezpieczająca (flyback) równolegle do obciążenia. Jej obecność ma na celu chronić tranzystor przed przepięciami w momencie wyłączania obciążeń indukcyjnych. Gdy nagle przerwiesz prąd w cewce, indukuje ona wysokie napięcie wsteczne – dioda daje temu prądowi bezpieczną drogę, zamiast przebijać tranzystor. Jeśli moduł jest przeznaczony do sterowania silnikami, przekaźnikami itp., najpewniej taka dioda jest już na płytce (albo trzeba ją dołożyć osobno wg zaleceń producenta modułu).

Dlaczego mój MOSFET się grzeje, mimo że nie przekraczam prądu?
Przyczyn może być kilka. Po pierwsze, upewnij się, że tranzystor jest w pełni wysterowany – jeśli np. podajesz tylko 3,3 V na bramkę, a MOSFET wymaga 5 V do pełnego otwarcia, będzie on działał „na pół gwizdka”, mając spory opór i grzejąc się. Rozwiązaniem jest użycie logic-level MOSFET lub drivera bramki podbijającego napięcie sterujące. Po drugie, wysoka częstotliwość PWM (np. kilkadziesiąt kHz) może powodować nagrzewanie na skutek ciągłego ładowania/rozładowywania pojemności bramki i strat podczas przełączania – spróbuj zmniejszyć częstotliwość do kilku kHz lub zastosować szybszy driver. Po trzecie, tranzystor może potrzebować radiatora przy dużych prądach – nawet jeśli teoretycznie mieści się w specyfikacji, brak chłodzenia podnosi jego temperaturę, a to z kolei zwiększa rezystancję kanału (MOSFET-y mają dodatni współczynnik temperaturowy), co jeszcze bardziej nasila grzanie – tworzy się błędne koło. W takim wypadku pomagają wspomniane radiatory lub rozłożenie obciążenia na dwa tranzystory równolegle, jeśli to możliwe.

Czy można sterować prądem przemiennym (AC) za pomocą MOSFET-a?
Typowe tranzystory MOSFET działają najlepiej w obwodach prądu stałego. Da się co prawda za pomocą odpowiedniej konfiguracji (np. dwóch MOSFET-ów w tzw. układzie back-to-back) sterować prądem przemiennym niskich napięć, ale do sterowania 230 V AC MOSFET nie jest optymalnym wyborem. Zamiast tego używa się triaków lub przekaźników półprzewodnikowych (SSR) w obwodach AC. Istnieją co prawda MOSFET-y wysokonapięciowe, lecz wymagają one złożonych driverów bramek, by załączać obie połówki sinusoidy. W skrócie: do zastosowań amatorskich MOSFET-em sterujemy obwody DC, a jeśli chcemy kontrolować AC, sięgamy po inne elementy lub gotowe przekaźniki SSR (które notabene często zawierają triaki lub tranzystory IGBT).