MOSFET STP55NF06 P55NF06, canale N, 60V, 50A, TO-220

Il MOSFET STP55NF06 (marcatura P55NF06) è un transistor di potenza a canale N, in case TO-220, per tensioni fino a 60 V e corrente continua fino a 50 A. Nei progetti lo usiamo come interruttore elettronico comandato da un segnale logico. Può accendere e spegnere strisce LED, piccoli motori, elettrovalvole, lampadine o relè da 12 V, e se il segnale di comando è PWM, può regolare anche la luminosità o la velocità.

In questo tutorial usiamo la scheda Arduino Uno R3, che fornisce il segnale PWM sul pin D9, e comandiamo una striscia LED da 12 V. Il transistor è montato sul lato di massa del carico (low-side switch), mentre l'alimentazione da 12 V proviene da un alimentatore separato.

Come funziona:

Il MOSFET ha tre terminali: Gate (porta), Drain (drain) e Source (source). Tra Drain e Source la corrente di carico passa solo quando la tensione tra Gate e Source (VGS) supera la soglia di apertura. Il gate non assorbe corrente continua, ma si carica e si scarica come un piccolo condensatore, quindi un pin di Arduino è sufficiente per comandare carichi molto più grandi.

La soglia VGS(th) dell'STP55NF06 è tra 2 V e 4 V, con 3 V tipici. La resistenza in conduzione RDS(on) è di 0.015 ohm tipica e massima 0.018 ohm, ma è garantita solo per VGS = 10 V. Arduino Uno fornisce in uscita 5 V, quindi il transistor si apre, ma non completamente. Per questo motivo nel tutorial usiamo un carico modesto, di circa 1.5 A, per cui il riscaldamento resta trascurabile. Per correnti elevate si pilota il gate a 10 - 12 V tramite un circuito driver oppure si sceglie una variante logic-level, ad esempio STP55NF06L.

La potenza dissipata nel transistor si stima con la formula P = I x I x RDS(on). Per 1.5 A e 0.018 ohm risulta P = 1.5 x 1.5 x 0.018, cioè circa 0.04 W. È un valore orientativo, calcolato per 10 V sul gate, e a 5 V la resistenza reale è più alta. Se la potenza dissipata supera circa 1 W, aggiungete un dissipatore.

La resistenza da 220 ohm in serie con il gate limita la corrente di carica della capacità di ingresso, di circa 1.3 nF (Ciss tipica 1300 pF), quando il pin D9 passa bruscamente in HIGH. La corrente di picco è al massimo 5 V / 220 ohm, cioè circa 23 mA, nei limiti del pin. La costante di tempo è 220 ohm x 1.3 nF, cioè circa 0.29 microsecondi, molto più piccola del periodo PWM di circa 2 ms (la frequenza predefinita del pin D9 è di circa 490 Hz). La resistenza da 10 kohm tra gate e GND mantiene il transistor bloccato mentre Arduino si resetta o si avvia e il pin è ancora in stato indefinito.

La funzione analogWrite(pin, valore) accetta valori tra 0 e 255. Il duty cycle è valore / 255, per esempio 128 significa circa 50 %. La striscia riceve in media la stessa frazione della tensione di 12 V, quindi si illumina proporzionalmente più debolmente o più intensamente.

Collegamento:

I pin si contano guardando il transistor con la faccia marcata verso di voi e i terminali in basso, da sinistra a destra: 1 = Gate, 2 = Drain, 3 = Source. La piastrina metallica sul retro è collegata elettricamente al Drain, quindi ha la tensione del carico quando questo è spento. Non lasciatela toccare altri componenti metallici. Arduino Uno è alimentato via USB dal computer, mentre la striscia LED è alimentata dall'alimentatore da 12 VDC, di almeno 2 A, collegato a un connettore jack 5.5 x 2.1 mm con morsetti a vite. I negativi delle due alimentazioni devono essere collegati insieme.

La tensione di comando è di 5 V (logica Arduino Uno), quindi non serve un convertitore di livello. Non applicate sul gate più di 20 V, valore massimo assoluto del transistor. Se al posto della striscia LED comandate un carico induttivo (motore, elettrovalvola, relè), montate in parallelo al carico un diodo di protezione 1N4007 o 1N5819, con il catodo verso +12 V.

Scheda e librerie:

Nell'Arduino IDE selezionate la scheda Arduino Uno dal menu Tools > Board > Arduino AVR Boards. Il pacchetto Arduino AVR Boards è incluso nell'Arduino IDE, quindi non va installato separatamente. Il programma usa solo le funzioni di base di Arduino, quindi non è necessario installare alcuna libreria.

Codice:

Il programma aumenta gradualmente il duty cycle PWM sul pin D9 da 0 a 255, mantiene la striscia completamente accesa, poi la spegne gradualmente e ripete il ciclo, visualizzando il livello sul monitor seriale.

/*
  STP55NF06 (P55NF06) PWM low-side switch test
  Board: Arduino Uno (Tools > Board > Arduino AVR Boards, package "Arduino AVR Boards")
  Libraries: none, the program uses only the core Arduino functions.
  Wiring:
    Arduino D9  -> R1 220 ohm -> MOSFET Gate (pin 1)
    MOSFET Gate (pin 1) -> R2 10 kohm -> Arduino GND (pull-down)
    MOSFET Drain (pin 2) -> LED strip GND (minus)
    MOSFET Source (pin 3) -> minus of the DC jack adapter
    Arduino GND -> minus of the DC jack adapter (common ground)
    Plus of the DC jack adapter (12 VDC, min. 2 A) -> LED strip +12V
  The Arduino is powered from the PC through USB.
*/
const uint8_t GATE_PIN = 9;                  // PWM pin that drives the MOSFET gate through R1
const unsigned long STEP_DELAY_MS = 20;      // Delay between two brightness steps
const unsigned long HOLD_DELAY_MS = 1500;    // Time spent fully on and fully off
// Set the PWM level (0 - 255) and print it every 25 steps
void setLevel(int level) {
  analogWrite(GATE_PIN, level);              // Output the PWM signal to the gate
  if (level % 25 == 0) {
    int percent = (level * 100L) / 255;      // Duty cycle in percent
    Serial.print("Gate level: ");
    Serial.print(level);
    Serial.print(" / 255 (duty ");
    Serial.print(percent);
    Serial.println(" %)");
  }
}
void setup() {
  Serial.begin(9600);                        // Start the serial monitor at 9600 baud
  pinMode(GATE_PIN, OUTPUT);                 // Gate pin is an output
  analogWrite(GATE_PIN, 0);                  // Start with the MOSFET off
  Serial.println("STP55NF06 PWM test started");
}
void loop() {
  Serial.println("Fading up");
  for (int level = 0; level <= 255; level += 5) {   // Ramp up from off to full on
    setLevel(level);
    delay(STEP_DELAY_MS);
  }
  delay(HOLD_DELAY_MS);                      // Stay fully on
  Serial.println("Fading down");
  for (int level = 255; level >= 0; level -= 5) {   // Ramp down from full on to off
    setLevel(level);
    delay(STEP_DELAY_MS);
  }
  delay(HOLD_DELAY_MS);                      // Stay fully off
}

Come funziona il codice:

All'inizio definiamo la costante GATE_PIN con valore 9, il pin PWM che comanda il gate tramite R1. Le costanti STEP_DELAY_MS (20 ms) e HOLD_DELAY_MS (1500 ms) stabiliscono la velocità con cui cambia la luminosità e per quanto tempo la striscia resta completamente accesa o completamente spenta.

La funzione setLevel(level) scrive il valore PWM sul pin con analogWrite e, ogni multiplo di 25, calcola il duty cycle in percentuale (level * 100L) / 255 e lo visualizza sul monitor seriale.

In setup() avviamo la comunicazione seriale a 9600 baud, configuriamo GATE_PIN come uscita e lo portiamo a 0, in modo che il transistor parta bloccato. In loop() un ciclo for aumenta level da 0 a 255 con passo 5, attende HOLD_DELAY_MS, poi un secondo ciclo for lo diminuisce da 255 a 0 e attende di nuovo HOLD_DELAY_MS.

Risultato:

Aprite il monitor seriale a 9600 baud. La striscia LED deve accendersi gradualmente, restare completamente accesa per 1.5 secondi, poi spegnersi gradualmente, e sul monitor compaiono i messaggi qui sotto.

STP55NF06 PWM test started
Fading up
Gate level: 0 / 255 (duty 0 %)
Gate level: 25 / 255 (duty 9 %)
Gate level: 50 / 255 (duty 19 %)
Gate level: 75 / 255 (duty 29 %)
Gate level: 100 / 255 (duty 39 %)
Gate level: 125 / 255 (duty 49 %)
Gate level: 150 / 255 (duty 58 %)
Gate level: 175 / 255 (duty 68 %)
Gate level: 200 / 255 (duty 78 %)
Gate level: 225 / 255 (duty 88 %)

Problemi frequenti:

La striscia non si accende affatto. La causa più comune è l'ordine sbagliato dei pin. Verificate che Gate sia il pin 1, Drain il pin 2 e Source il pin 3, guardando il transistor con la faccia marcata verso di voi e i terminali in basso, e che l'alimentatore da 12 V sia collegato.

La striscia illumina debolmente anche con il valore 255. A 5 V sul gate il transistor non è completamente aperto, e la sua resistenza è più alta del valore di 0.018 ohm dato per 10 V. Verificate che il carico non superi circa 1.5 A, e per carichi grandi usate un driver di gate a 10 - 12 V oppure una variante logic-level.

La striscia resta accesa all'avvio o lampeggia quando la scheda si resetta. La resistenza R2 da 10 kohm tra gate e GND manca o ha un contatto difettoso. Controllatela.

Non funziona nulla anche se i collegamenti sembrano corretti. La massa di Arduino non è collegata al meno dell'alimentatore da 12 V. Senza massa comune, il segnale sul gate non ha riferimento rispetto al Source.

Il transistor si riscalda. Il carico è troppo grande per il comando a 5 V, oppure manca un dissipatore. Riducete la corrente o montate un dissipatore sulla piastrina metallica.

Non appare nulla sul monitor seriale. Verificate la velocità di 9600 baud e la porta selezionata in Tools > Port.

Limiti e consigli:

L'STP55NF06 non è un MOSFET logic-level. I valori di 60 V e 50 A sono limiti massimi, e con il comando a 5 V si lavora in pratica con carichi molto più piccoli. La tensione massima tra gate e Source è di 20 V, mentre la corrente reale dipende anche dal raffreddamento, perché la resistenza termica giunzione-ambiente è di 62.5 °C/W senza dissipatore.

La frequenza PWM predefinita del pin D9 è di circa 490 Hz, adatta a strisce LED e piccoli motori. Per un montaggio più potente usate un driver di gate alimentato a 10 - 12 V, e per i carichi induttivi montate sempre un diodo di protezione. Sullo stesso schema potete comandare un motore in corrente continua, un'elettrovalvola o una lampadina da 12 V.