N-ch MOSFET(2SK4017)

Arduino UNO等のデジタル出力が常時出力出来る電流は20ｍA程度と少ないです。

LED(15mA程度)を光らせるくらいなら出来ますが、それ以上の大電流・大電圧を必要とする動力源をコントロールするには力が足りません。そこで登場するのがトランジスタとMOSFETです。

定番のMOSFET(2SK4017)を使ってLEDを光らせてみたいと思います。

1.MOSFETとは？

トランジスタは電流を増幅する作用が有りますが、MOSFET(読み：モス・エフイーティー、英訳：metal-oxide-semiconductor field-effect transistor、日本訳：電界効果トランジスタ)は電圧によって流れる電流を制御出来ます。その事からMOSFETはトランジスタより消費電力が少ない特徴が有り、特に大きな電流や電圧をArduinoなどのマイコンからスイッチングする際に利用されます。

1.1 外観及び入力電圧と出力電流

外観は三端子レギュレータと同じSIP(Single In-line Package)形状で、ピン間隔が2.3mmと2.54mmに若干足りませんが、図1左の様に若干端子を広げればそのままユニバーサル基板やブレッドボードに挿せます。

図1-1：製品外観写真及び寸法　　　　　　　単位：mm

表1：2SK4017の仕様一覧
項目	内容
最大ドレイン・ソース間電圧(VDSS)	60V
最大ゲート・ソース間電圧(VGSS)	±20V
オン抵抗(RDS(ON))	標準0.09Ω　最大0.15Ω（@VGS=4V）
最大ドレイン電流(ID)	5A
最大ドレイン電力(PD)	20W
入力容量(Ciss)	標準730pF
出力容量(Coss)	標準60pF
帰還容量(Crss)	標準95pF
ターンオン時間(ton)	20ns
ターンオフ時間(toff)	35ns
形状	SIP

図1-2：ゲート電圧とドレイン電流の関係(2SK4017のSDSより引用)

1.2 N-ch型とP-ch型

今回御紹介する2SK4017 MOSFETはエンハンスメントタイプ※1のNch型です。

図1のゲート端子に正の電圧を加えるとドレイン・ソース間の抵抗が減少し通電します。十分な電圧(5V)を加えれば、リレーの様にスイッチON・OFFするのに使えます。

トランジスタのNPNとPNPの関係のように電圧のかけ方が逆になる2SJ681 MOSFETと言うエンハンスメントタイプ※2Pch型もあります。

※1：エンハンスメント「VGSが正の領域でドレインに電流が流れる」

※2：デプレッション　「VGSが0の領域をまたいだ特性」

※「cin*aba*_ci*n*ba* 」さんのご指摘により上記記事を修正致しました、ご指摘ありがとうございます。

1.3 Nch型MOSFETの接続方法

Nch型MOSFETを実際に使用する際の接続図を図2に示します。

※図2中の電流制限抵抗の算出方法

Arduino UNO出力電圧(実測値5.095V)÷Arduino UNO出力最大電流(0.02A)=電流制限抵抗(254.75Ωですが余裕を見て若干高めの入手可能な330Ω「反応早い」～1kΩ「反応遅い」の間で選択します。)

図2：Nch型MOSFET(2SK4017)の接続方法

2. 材料

表1の2SK4017は性能も入手性も良く、しかも安いのでよく使います。

MOSFETを使ってLEDを光らせる実験に、表2の部品を使用しました。

表2：購入品一覧
部品名	必要数
Arduino UNO	1個
2SK4017	1個
LED 砲弾型 φ3mm 白色	1個
330Ω、100Ω抵抗	各1個
ブレッドボード	1個

※その他 ArduinoIDEのインストールされたPCとUSBケーブル、ジャンプワイヤーが必要です。

3. MOSFETでLチカ

Arduino UNOの3番ピン→330Ω抵抗→MOSFETのゲートの順に接続し、3番ピンをHighにすると、MOSFETのドレイン→ソース間抵抗が減少(600kΩから0.07Ω)し電流が流れます。

電流が流れるとLEDが点灯すると言う流れです。

3.1 回路図

fritzingで作った回路図です。MOSFETを介してLEDを光らせます。

図3：MOSFETを使ったLチカ回路図

3.2 プログラム

下記プログラムを実際にArduino UNOに書き込み実行した結果が図4です。LEDが1秒周期で点滅します。

void setup() {            //一回だけ実行する
  pinMode(3, OUTPUT);     //LEDを接続した13番ピンを出力用に設定する
}
void loop() {             //{}内を無限ループで実行する
  digitalWrite(3, HIGH);  //LEDが接続された13番ピンをHIGH(5V)にする
  delay(1000);            //1秒LEDを点灯した状態で止める
  digitalWrite(3, LOW);   //LEDが接続された13番ピンをLOW(0V)にする
  delay(1000);            //1秒LEDを消灯した状態で止める
}