Qual é a capacidade da unidade de porta MOSFET e por que me preocupo com isso?

Alguém me disse que este circuito tem "capacidade de acionamento de porta ruim":

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

O que exatamente isso significa? Testei-o com um LED como carga para o M1, e o microcontrolador é capaz de ligá-lo e desligá-lo perfeitamente. Em que circunstâncias a capacidade insuficiente da unidade é um problema? Como eu o melhoro?

A resposta está no final, mas, caso você não esteja familiarizado com o conceito de capacitor MOS, farei uma rápida revisão.

Capacitor MOS:

O Gate do transistor MOSFET é essencialmente um capacitor. Quando você aplica qualquer voltagem neste capacitor, ele responde acumulando uma carga elétrica:

A carga acumulada no eletrodo Gate é inútil, mas a carga sob o eletrodo forma um canal condutor que permite que uma corrente flua entre os terminais Source e Drain:

O transistor liga quando a carga armazenada neste capacitor se torna apreciável. A tensão do portão na qual isso acontece é chamada de tensão de limite (essencialmente é a tensão entre o portão e o corpo que é relevante aqui, mas vamos supor que o corpo seja definido como potencial zero).

Como você deve saber, carregar um capacitor através do resistor leva tempo (sempre há alguma resistência presente, mesmo que o esquema não contenha resistores). Esse tempo depende do valor do capacitor e do resistor:

Combinando todas as instruções acima, obtemos:

• O Transistor's Gate é um capacitor que deve ser carregado através de um resistor para que o transistor "ligue"
• Quanto maior a capacitância de entrada do Gate, mais tempo leva para ligar o transistor
• Quanto maior a resistência entre a fonte de tensão e o Gate, mais tempo leva para ligar o transistor
• Quanto maior a tensão aplicada externamente, menor é o tempo para ligar o transistor.

A resposta:

Quando as pessoas dizem "pouca capacidade de acionamento de porta", elas significam que os tempos de ligar e desligar o transistor em determinada configuração são muito longos.

"Muito tempo em comparação com o que?" você pode perguntar, e esta é a pergunta mais importante a ser feita. O tempo necessário para ligar / desligar depende de muitos aspectos, nos quais não quero entrar. Apenas como exemplo, pense em acionar o transistor com uma onda quadrada periódica com 50% de ciclo de serviço e período de 10ms. Você deseja que o transistor esteja LIGADO durante a fase alta e DESLIGADO durante a fase baixa do sinal. Agora, se o tempo de ativação do transistor em uma determinada configuração for 10ms, é claro que 5ms de sinal de fase alta não serão suficientes para ligá-lo. A configuração fornecida possui "capacidade de unidade de porta ruim".

Quando você usou o transistor para ligar o LED, não utilizou altas frequências de comutação, certo? Nesse caso, o tempo de comutação do transistor não era de grande importância - você só queria ver que ele liga / desliga eventualmente.

Resumo:

A "capacidade da unidade de porta" não pode ser boa ou ruim em geral, mas é boa o suficiente para a sua aplicação ou não. Depende dos tempos de troca que você deseja alcançar.

Para reduzir o tempo de troca, você pode fazer o seguinte:

• Reduza a resistência ao portão
• Aumente a classificação de tensão / corrente do circuito de acionamento

Não há nada que você possa fazer sobre a capacitância do Gate - ela é uma propriedade interna do transistor.

Espero que isto ajude

O problema surge quando os MOSFETs devem ser LIGADOS / DESLIGADOS a uma frequência relativamente alta. A capacitância de Miller introduzida no Gate (Cgs) desempenha um papel importante, portanto, para carregar / descarregar essa capacitância em alta frequência requer que correntes superiores a 1A sejam injetadas no Gate.

Em operação CC e estática, no entanto, o circuito do inversor "vê" uma carga de impedância muito alta e pode facilmente ligar / desligar o MOSFET. Apenas para testar e verificar, aumente a frequência do pino GPIO no esquema mostrado e observe a forma de onda no Gate do MOSFET.