Vimos anteriormente, que el MOSFET de canal N, en modo de mejora (e-MOSFET) opera utilizando una tensión de entrada positiva y tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi infinita) lo que hace posible la interfaz con casi cualquier puerta lógica o conductor capaz de producir una salida positiva.
También vimos que debido a esta altísima resistencia de entrada (Puerta) podemos conectar en paralelo de forma segura muchos MOSFETS diferentes hasta conseguir la capacidad de manejo de corriente que necesitábamos.
Aunque conectar varios MOSFETS en paralelo puede permitirnos conmutar altas corrientes o cargas de alto voltaje, hacerlo resulta caro y poco práctico tanto en componentes como en espacio en la placa de circuito. Para superar este problema se desarrollaron los transistores de efecto de campo o FET de potencia.V
Ahora sabemos que hay dos diferencias principales entre los transistores de efecto de campo, el modo de agotamiento sólo para los JFET y el modo de mejora y el modo de agotamiento para los MOSFET. En este tutorial veremos el uso del MOSFET en modo de mejora como un interruptor, ya que estos transistores requieren un voltaje de puerta positivo para encenderse y un voltaje cero para apagarse, lo que los hace fácilmente comprensibles como interruptores y también fáciles de interconectar con puertas lógicas.
El funcionamiento del MOSFET en modo de mejora, o e-MOSFET, puede describirse mejor utilizando sus curvas de características I-V que se muestran a continuación. Cuando la tensión de entrada, ( VIN ) a la puerta del transistor es cero, el MOSFET no conduce prácticamente ninguna corriente y la tensión de salida ( VOUT ) es igual a la tensión de alimentación VDD. Por lo tanto, el MOSFET está «APAGADO» operando dentro de su región de «corte».
Curvas de características del MOSFET
La tensión mínima de puerta en estado ON necesaria para asegurar que el MOSFET permanezca «ENCENDIDO» cuando conduce la corriente de drenaje seleccionada puede determinarse a partir de las curvas de transferencia V-I anteriores. Cuando VIN es ALTO o igual a VDD, el punto Q del MOSFET se desplaza al punto A a lo largo de la línea de carga.
La corriente de drenaje ID aumenta hasta su valor máximo debido a la reducción de la resistencia del canal. ID se convierte en un valor constante independiente de VDD, y sólo depende de VGS. Por lo tanto, el transistor se comporta como un interruptor cerrado pero la resistencia de canal ON no se reduce totalmente a cero debido a su valor RDS(on), sino que se hace muy pequeña.
Así mismo, cuando VIN es LOW o se reduce a cero, el punto Q del MOSFET se mueve del punto A al punto B a lo largo de la línea de carga. La resistencia del canal es muy alta por lo que el transistor actúa como un circuito abierto y no fluye corriente por el canal. Por lo tanto, si la tensión de puerta del MOSFET alterna entre dos valores, ALTO y BAJO, el MOSFET se comportará como un interruptor de estado sólido de «un polo y un tiro» (SPST) y esta acción se define como:
1. Región de corte
Aquí las condiciones de funcionamiento del transistor son tensión de entrada cero ( VIN ), corriente de drenaje cero ID y tensión de salida VDS = VDD. Por lo tanto, para un MOSFET de tipo de mejora, el canal conductor está cerrado y el dispositivo está conmutado en «OFF».
Características de corte
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Entonces podemos definir la región de corte o «modo OFF» cuando se utiliza un e-MOSFET como interruptor como, tensión de puerta, VGS < VTH por lo tanto ID = 0. Para un MOSFET de mejora de canal P, el potencial de puerta debe ser más positivo con respecto a la fuente.
2. Región de saturación
En la región de saturación o lineal, el transistor estará polarizado de forma que se aplique la máxima cantidad de tensión de puerta al dispositivo, lo que hace que la resistencia de canal RDS(on sea lo más pequeña posible con la máxima corriente de drenaje fluyendo a través del interruptor MOSFET. Por lo tanto, para el MOSFET de tipo de mejora, el canal conductor está abierto y el dispositivo está conmutado en «ON».
Características de saturación
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Entonces podemos definir la región de saturación o «modo ON» cuando se utiliza un e-MOSFET como interruptor como tensión puerta-fuente, VGS > VTH por tanto ID = Máximo. Para un MOSFET de mejora del canal P, el potencial de la puerta debe ser más negativo con respecto a la fuente.
Aplicando una tensión de accionamiento adecuada a la puerta de un FET, la resistencia del canal drenaje-fuente, RDS(on) puede variarse desde una «resistencia OFF» de muchos cientos de kΩ, actuando efectivamente como un circuito abierto, hasta una «resistencia ON» de menos de 1Ω, actuando efectivamente como un cortocircuito.
Cuando se utiliza el MOSFET como interruptor, podemos conducir el MOSFET para que se ponga en «ON» más rápido o más lento, o para que pase corrientes altas o bajas. Esta capacidad de encender y apagar el MOSFET de potencia permite utilizar el dispositivo como un interruptor muy eficiente con velocidades de conmutación mucho más rápidas que las de los transistores de unión bipolar estándar.
Un ejemplo de uso del MOSFET como interruptor
En esta disposición de circuito se está utilizando un MOSFET de canal N en modo de mejora para encender y apagar una simple lámpara (también podría ser un LED).
El voltaje de entrada de la puerta VGS se lleva a un nivel de voltaje positivo apropiado para encender el dispositivo y, por lo tanto, la carga de la lámpara, ya sea «ON», ( VGS = +ve ) o a un nivel de voltaje cero que convierte el dispositivo en «OFF», ( VGS = 0V ).
Si la carga resistiva de la lámpara se sustituyera por una carga inductiva, como una bobina, un solenoide o un relé, se necesitaría un «diodo volante» en paralelo con la carga para proteger al MOSFET de cualquier retroemisión autogenerada.
Lo anterior muestra un circuito muy sencillo para conmutar una carga resistiva, como una lámpara o un LED. Pero cuando se utilizan MOSFETs de potencia para conmutar cargas inductivas o capacitivas se requiere alguna forma de protección para evitar que el dispositivo MOSFET se dañe. Por ejemplo, un condensador sin carga eléctrica es un cortocircuito, lo que da lugar a una elevada «irrupción» de corriente, y cuando eliminamos la tensión de una carga inductiva tenemos una gran acumulación de tensión inversa a medida que el campo magnético se colapsa, lo que da lugar a una contrafase inducida en los devanados del inductor.
Entonces podemos resumir las características de conmutación del MOSFET de tipo canal N y canal P dentro de la siguiente tabla.
| Tipo de MOSFET | VGS ≪ 0 | VGS = 0 | VGS ≫ 0 |
| N-canal Enhancement | OFF | OFF | ON |
| N-channel Depletion | OFF | ON | ON |
| P- | ON | OFF | OFF |
| Agotamiento del canal P | ON | ON | OFF |
Nótese que a diferencia del MOSFET de canal N-cuyo terminal de puerta debe hacerse más positivo (atrayendo electrones) que la fuente para permitir que la corriente fluya a través del canal, la conducción a través del MOSFET de canal P se debe al flujo de huecos. Es decir, el terminal de la puerta de un MOSFET de canal P debe hacerse más negativo que la fuente y sólo dejará de conducir (corte) hasta que la puerta sea más positiva que la fuente.
Por lo tanto, para que el MOSFET de potencia de tipo de mejora funcione como un dispositivo de conmutación analógico, necesita conmutar entre su «Región de corte» donde: VGS = 0V (o VGS = -ve) y su «Región de Saturación» donde: VGS(on) = +ve. La potencia disipada en el MOSFET ( PD ) depende de la corriente que circula por el canal ID en saturación y también de la «resistencia ON» del canal dada como RDS(on). Por ejemplo.
MOSFET como interruptor Ejemplo No1
Supongamos que la lámpara tiene una potencia nominal de 6v, 24W y está totalmente «ON», el MOSFET estándar tiene un valor de resistencia de encendido del canal ( RDS(on) ) de 0,1ohms. Calcule la potencia disipada en el dispositivo de conmutación MOSFET.
La corriente que fluye a través de la lámpara se calcula como:
Entonces la potencia disipada en el MOSFET vendrá dada como:
Puede que esté sentado pensando, ¡bueno y qué! pero cuando se utiliza el MOSFET como interruptor para controlar motores de corriente continua o cargas eléctricas con altas corrientes de entrada, la resistencia del canal «ON» ( RDS(on) ) entre el drenaje y la fuente es muy importante. Por ejemplo, los MOSFETs que controlan motores de CC, están sometidos a una alta corriente de arranque cuando el motor comienza a girar por primera vez, porque la corriente de arranque de los motores sólo está limitada por el valor de la resistencia muy baja de los bobinados de los motores.
Como la relación básica de potencia es: P = I2R, entonces un valor alto de resistencia del canal RDS(on) simplemente resultaría en grandes cantidades de potencia disipada y desperdiciada dentro del propio MOSFET resultando en un aumento excesivo de la temperatura, que si no se controla podría resultar en que el MOSFET se calentara mucho y se dañara debido a una sobrecarga térmica.
Un valor más bajo de RDS(on) para la resistencia del canal es también un parámetro deseable, ya que ayuda a reducir la tensión de saturación efectiva de los canales ( VDS(sat) = ID*RDS(on) ) a través del MOSFET y, por tanto, funcionará a una temperatura más fría. Los MOSFET de potencia suelen tener un valor de RDS(on) inferior a 0,01Ω, lo que les permite funcionar a menor temperatura, prolongando su vida útil operativa.
Una de las principales limitaciones cuando se utiliza un MOSFET como dispositivo de conmutación es la corriente de drenaje máxima que puede manejar. Por lo tanto, el parámetro RDS(on) es una guía importante para la eficiencia de conmutación del MOSFET y se indica simplemente como la relación de VDS / ID cuando el transistor está conmutado en «ON».
Cuando se utiliza un MOSFET o cualquier tipo de transistor de efecto de campo como dispositivo de conmutación de estado sólido, siempre es aconsejable seleccionar los que tienen un valor RDS(on) muy bajo o, al menos, montarlos en un disipador de calor adecuado para ayudar a reducir cualquier desbordamiento térmico y daños. Los MOSFET de potencia utilizados como conmutadores suelen tener una protección contra picos de corriente incorporada en su diseño, pero para aplicaciones de alta corriente el transistor de unión bipolar es una mejor opción.
Control de motores con MOSFET de potencia
Debido a la altísima resistencia de entrada o de puerta que tiene el MOSFET, sus velocidades de conmutación muy rápidas y la facilidad con la que se pueden accionar los hace ideales para interactuar con op-amps o puertas lógicas estándar. Sin embargo, hay que tener cuidado de que la tensión de entrada de la fuente de la puerta se elija correctamente, ya que cuando se utiliza el MOSFET como conmutador, el dispositivo debe obtener una baja resistencia de canal RDS(on) en proporción a esta tensión de entrada de la puerta.
Los MOSFETs de potencia de tipo de umbral bajo pueden no conmutar «ON» hasta que se hayan aplicado al menos 3V o 4V a su puerta y si la salida de la puerta lógica es sólo de +5V lógicos puede ser insuficiente para conducir completamente el MOSFET a la saturación. Hay disponibles MOSFETs de umbral más bajo diseñados para interconectarse con puertas lógicas TTL y CMOS que tienen umbrales tan bajos como 1,5V a 2,0V.
Los MOSFETs de potencia pueden utilizarse para controlar el movimiento de los motores de CC o de los motores paso a paso sin escobillas directamente desde la lógica del ordenador o mediante el uso de controladores del tipo de modulación de ancho de pulso (PWM). Como un motor de CC ofrece un alto par de arranque y que además es proporcional a la corriente del inducido, los interruptores MOSFET junto con un PWM pueden utilizarse como un muy buen controlador de velocidad que proporcionaría un funcionamiento suave y silencioso del motor.
Simple controlador de motor MOSFET de potencia
Como la carga del motor es inductiva, un simple diodo volante se conecta a través de la carga inductiva para disipar cualquier emf de retorno generado por el motor cuando el MOSFET lo pone en «OFF». También se puede utilizar una red de apriete formada por un diodo zener en serie con el diodo para permitir una conmutación más rápida y un mejor control del pico de tensión inversa y del tiempo de desconexión.
Para mayor seguridad, también se puede colocar un diodo de silicio o zener adicional D1 a través del canal de un interruptor MOSFET cuando se utilizan cargas inductivas, como motores, relés, solenoides, etc., para suprimir los transitorios de conmutación de sobretensión y el ruido, proporcionando una protección adicional al interruptor MOSFET si es necesario. La resistencia RGS se utiliza como una resistencia pull-down para ayudar a bajar la tensión de salida TTL a 0V cuando el MOSFET se conmuta a «OFF».
Interruptor MOSFET de canal P
Hasta ahora hemos visto el MOSFET de canal N como un interruptor donde el MOSFET se coloca entre la carga y la tierra. Esto también permite que el accionamiento de la puerta del MOSFET o la señal de conmutación estén referenciados a tierra (conmutación en el lado bajo).
Interruptor MOSFET de canal P
Pero en algunas aplicaciones requerimos el uso de MOSFET de modo de mejora de canal P donde la carga está conectada directamente a tierra. En este caso, el interruptor MOSFET se conecta entre la carga y el carril de alimentación positivo (conmutación en el lado alto), como hacemos con los transistores PNP.
En un dispositivo de canal P, el flujo convencional de la corriente de drenaje está en la dirección negativa, por lo que se aplica una tensión de fuente de puerta negativa para conmutar el transistor en «ON».
Esto se consigue porque el MOSFET de canal P está «al revés», con su terminal de fuente unido a la alimentación positiva +VDD. Entonces, cuando el interruptor se pone en BAJO, el MOSFET se pone en «ON» y cuando el interruptor se pone en ALTO, el MOSFET se pone en «OFF».
Esta conexión al revés de un interruptor MOSFET de modo de mejora de canal P nos permite conectarlo en serie con un MOSFET de modo de mejora de canal N para producir un dispositivo de conmutación complementario o CMOS como se muestra a través de una alimentación doble.
Controlador de motor MOSFET complementario
Los dos MOSFETs están configurados para producir un conmutador bidireccional desde una alimentación dual con el motor conectado entre la conexión de drenaje común y la referencia de tierra. Cuando la entrada es BAJA, el MOSFET de canal P se enciende, ya que su unión puerta-fuente tiene un sesgo negativo, por lo que el motor gira en una dirección. Sólo se utiliza la vía de alimentación positiva +VDD para accionar el motor.
Cuando la entrada es ALTA, el dispositivo de canal P se apaga y el dispositivo de canal N se enciende, ya que su unión puerta-fuente está polarizada positivamente. El motor gira ahora en la dirección opuesta porque la tensión de los terminales del motor se ha invertido, ya que ahora es alimentada por la vía de alimentación negativa -VDD.
Entonces, el MOSFET de canal P se utiliza para conmutar la alimentación positiva del motor para la dirección de avance (conmutación en el lado alto), mientras que el MOSFET de canal N se utiliza para conmutar la alimentación negativa del motor para la dirección inversa (conmutación en el lado bajo).
Hay una variedad de configuraciones para conducir los dos MOSFET con muchas aplicaciones diferentes. Tanto los dispositivos de canal P como los de canal N pueden ser accionados por un único CI de accionamiento de puerta, como se muestra.
Sin embargo, para evitar la conducción cruzada con ambos MOSFETS conduciendo al mismo tiempo a través de las dos polaridades de la alimentación dual, se requieren dispositivos de conmutación rápida para proporcionar una cierta diferencia de tiempo entre que se pongan en «OFF» y el otro en «ON». Una forma de superar este problema es conducir las dos puertas de los MOSFETS por separado. Esto produce entonces una tercera opción de «STOP» al motor cuando ambos MOSFETS están «OFF».
Tabla de control de motores MOSFET complementarios
| MOSFET 1 | MOSFET 2 | Función del motor |
| OFF | OFF | Motor parado (OFF) |
| ON | OFF | El motor gira hacia delante |
| OFF | ON | El motor gira hacia atrás |
| ON | ON | NO SE PERMITE |
Tenga en cuenta que es importante que no se permita ninguna otra combinación de entradas al mismo tiempo, ya que esto podría provocar un cortocircuito en la fuente de alimentación, ya que los dos MOSFETS, FET1 y FET2 podrían ponerse en «ON» a la vez resultando en: ( fusible = ¡bang! ), esté advertido.
