MOSFET¶
MOSFETとは¶
MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）は、電気の流れを制御するための半導体部品である。
簡単に言うと、
電子スイッチ
として利用されることが多い。
マイコンのGPIOから直接モータやLEDテープなどの大電流機器を動かすことはできないため、MOSFETを利用して電流のON/OFFを制御する。
MOSFETの用途¶
MOSFETは様々な回路で利用されている。
例
- モータ制御
- LED制御
- 電源制御
- DCDCコンバータ
- バッテリー保護回路
- ソレノイド制御
MOSFETの端子¶
MOSFETには3つの端子がある。
| 端子 | 名称 |
|---|---|
| G | Gate |
| D | Drain |
| S | Source |
Gate¶
制御入力端子。
マイコンなどから信号を入力する。
Drain¶
電流が流れ込む側。
Source¶
電流が流れ出る側。
イメージ
Drain
│
│
┌───┴───┐
Gate ─┤ MOSFET├─ Source
└───────┘
MOSFETの動作¶
MOSFETはGateに電圧を加えることでONになる。
OFF状態¶
Gate = 0V
の場合
Drain × Source
となり電流は流れない。
ON状態¶
Gate = 3.3V
の場合
Drain ─ Source
となり電流が流れる。
リレーとの違い¶
MOSFETと似た用途でリレーがある。
| 項目 | MOSFET | リレー |
|---|---|---|
| 動作速度 | 非常に高速 | 遅い |
| 消耗 | 少ない | 接点摩耗あり |
| 音 | 無音 | カチカチ鳴る |
| サイズ | 小さい | 大きい |
| 消費電力 | 少ない | やや多い |
NチャネルMOSFET¶
最もよく利用されるMOSFET。
特徴
- ON抵抗が小さい
- 安価
- 高効率
- 種類が豊富
回路例
3.3V
│
負荷
│
Drain
│
MOSFET
│
Source
│
GND
PチャネルMOSFET¶
高側スイッチとして利用される。
特徴
- 回路がやや複雑
- Nチャネルより性能は劣る
- 電源ライン制御に便利
回路例
VCC
│
MOSFET
│
負荷
│
GND
ローサイドスイッチ¶
最も一般的な使い方。
MOSFETをGND側へ配置する。
VCC
│
モータ
│
Drain
│
MOSFET
│
Source
│
GND
STM32やArduinoで頻繁に利用される。
ハイサイドスイッチ¶
電源側を制御する方式。
VCC
│
MOSFET
│
負荷
│
GND
電源ON/OFF回路などで利用される。
ゲートしきい値電圧¶
MOSFETには
VGS(th)
という値がある。
これはMOSFETが動作を開始する最低電圧である。
例
VGS(th)=2V
なら
Gate=2V
付近から動作し始める。
ただし注意点として、
動作開始電圧
≠
完全ON電圧
である。
ロジックレベルMOSFET¶
STM32やRaspberry Piは
3.3V
で動作する。
そのため
3.3Vで十分ONになるMOSFET
を選ぶ必要がある。
これをロジックレベルMOSFETという。
Rds(on)¶
MOSFETがONになった時の内部抵抗。
データシートには
Rds(on)
として記載される。
例
10mΩ
なら非常に低損失。
小さいほど
- 発熱が少ない
- 効率が高い
というメリットがある。
発熱¶
MOSFETも発熱する。
発熱量は以下の式で求められる。
:contentReference[oaicite:0]{index=0}
例
Rds(on)=0.01Ω
電流=5A
の場合
P = 0.25W
となる。
フライバックダイオード¶
モータやリレーなどの誘導負荷を制御する場合は必要になる。
モータ停止時には逆起電力が発生する。
そのままだとMOSFETが破損する可能性がある。
対策としてダイオードを並列接続する。
┌─|<|─┐
│ │
VCC─モータ──┘
│
MOSFET
│
GND
PWM制御¶
MOSFETは高速でON/OFFできる。
そのためPWM制御との相性が非常に良い。
例
PWM
↓
MOSFET
↓
モータ
PWMのデューティ比を変えることで、
- モータ速度
- LED明るさ
を制御できる。
DCDCコンバータとの関係¶
DCDCコンバータの内部でもMOSFETが利用されている。
MOSFETを高速スイッチングすることで
電圧変換
を実現している。
Asterでの利用例¶
Asterでは直接MOSFETを利用する場面は少ないかもしれないが、以下のような用途で登場する可能性がある。
- 電源制御
- LED制御
- ファン制御
- ソレノイド制御
- 将来の拡張基板
また、モータドライバICの内部にもMOSFETが搭載されている。
よくあるトラブル¶
ゲート電圧不足¶
3.3Vでは完全にONにならないMOSFETを選んでしまう。
フライバックダイオード未実装¶
モータ停止時にMOSFETが破損する。
放熱不足¶
大電流を流す場合は発熱計算が必要である。
GND配線が細い¶
電流が集中し発熱やノイズの原因になる。
まとめ¶
MOSFETは電子回路における高速な電子スイッチである。
- Gateで電流を制御する
- NチャネルMOSFETが最も一般的
- PWM制御との相性が良い
- 発熱計算が重要
- モータや電源回路で広く利用される
組み込み開発や基板設計では非常に重要な部品であり、モータ制御や電源設計を理解する上で欠かせない知識である。