Klucz DC dolnego stopnia z tranzystorem MOSFET poziomu logicznego IRLZ44N

Układ zorganizowano w topologii klucza dolnego stopnia (low-side) z tranzystorem z kanałem typu N. Obciążenie (M1, reprezentujące szczotkowy silnik DC, elektrozawór lub matrycę LED) włączone jest między dodatnią szynę zasilania (+12 V nominalnie) a wyprowadzenie drenu tranzystora N-MOSFET Q1 (Infineon IRLZ44NPbF). Źródło tranzystora Q1 podłączone jest bezpośrednio do masy zasilania (GND). Ponieważ potencjał źródła trwale wynosi 0 V, napięcie bramka-źródło (VGS) jest równe potencjałowi na zacisku bramki (VG), co umożliwia bezpośrednie sterowanie z wyjścia mikrokontrolera bez konieczności stosowania pływających sterowników bramkowych ani pomp ładunkowych.

Gdy na wyjściu GPIO mikrokontrolera panuje logiczne ZERO (0 V) lub układ nie jest zasilany, rezystor ściągający R2 (10 kΩ) zwiera bramkę do masy. Ponieważ VGS = 0 V, co jest wartością znacznie niższą od napięcia progowego otwarcia (VGS(th) = 1.0\dots 2.0 V), kanał przewodzenia pozostaje całkowicie zablokowany. Prąd upływu w stanie wyłączenia jest pomijalny (IDSS ≤ 25\ µA przy 25°C), co utrzymuje obciążenie w stanie całkowitego odłączenia. Podczas startu bootloadera, procedury resetu lub programowania ISP wyprowadzenia mikrokontrolera przechodzą w tryb wejścia o wysokiej impedancji; R2 zapobiega przypadkowemu załączeniu klucza przez ładunki elektrostatyczne lub sprzężenie pojemnościowe Millera (Cgd).

Gdy mikrokontroler wystawia na pinie stan logiczny WYSOKI (+3.3 V lub +5.0 V), prąd płynie przez szeregowy rezystor tłumiący R1 (100 Ω), ładując pojemność wejściową (Ciss = 1700 pF, całkowity ładunek bramki Qg = 48 nC maks. przy VGS = 5 V). Rezystor R1 ogranicza impulsowy prąd pobierany z pinu mikrokontrolera (Ipeak ≤ 33 mA przy 3.3 V, 50 mA przy 5.0 V), chroniąc stopień wyjściowy procesora przed przeciążeniem. Po przekroczeniu napięcia progowego i pokonaniu wypłaszczenia ładunkowego Millera (VGP ≈ 2.5\dots 3.0 V), napięcie dren-źródło gwałtownie spada do wartości bliskiej zeru, wprowadzając kanał w pełne nasycenie.

Przy napięciu bramki 5.0 V tranzystor IRLZ44NPbF osiąga gwarantowaną rezystancję włączenia RDS(on) ≤ 25 mΩ przy ID = 25 A (TJ = 25°C). Nawet przy sterowaniu 3.3 V rezystancja kanału wynosi poniżej 35\dots 40 mΩ dla umiarkowanych prądów (ID ≤ 10 A). Dla ciągłego prądu obciążenia ILOAD = 5.0 A statyczny spadek napięcia na tranzystorze wynosi zaledwie VDS = ID · RDS(on) = 5.0 A × 0.025\ Ω = 0.125 V, dając straty mocy przewodzenia na poziomie Pcond = ID2 · RDS(on) = (5.0 A)2 × 0.025\ Ω = 0.625 W. Tak niski poziom strat umożliwia ciągłą pracę z minimalnym radiatorem lub bez radiatora przy swobodnym chłodzeniu powietrzem.

Gdy mikrokontroler przełącza sygnał sterujący w stan NISKI, pojemność bramki rozładowuje się przez rezystory R1 i R2, zamykając kanał przewodzenia. W przypadku obciążeń indukcyjnych (L) gwałtowne przerwanie prądu wywołuje impuls siły przeciwelektromotorycznej: vL = -L (di) / (dt), wymuszając gwałtowny wzrost napięcia na drenie powyżej szyny zasilania. Dioda gasząca D1 (1N4007), włączona antyrównolegle do obciążenia katodą do +12 V i anodą do drenu, przechodzi w stan przewodzenia w chwili, gdy Vdrain > VLOAD + VF. Prąd indukcyjny zamyka się bezpiecznie w obwodzie diody i uzwojenia, ograniczając szczytowe napięcie na drenie do ok. +13.0 V i chroniąc 55-woltowy tranzystor MOSFET przed zniszczeniem lawinowym.