En este tutorial, aprenderemos sobre el funcionamiento de un MOSFET como Interruptor. En el tutorial de MOSFET, hemos visto los conceptos básicos de un MOSFET, sus tipos, estructura y algunas aplicaciones de MOSFET también.
Una de las aplicaciones importantes de MOSFET en el campo de la electrónica de potencia es que se puede configurar como un simple interruptor analógico. Con la ayuda de estos interruptores analógicos, los sistemas digitales pueden controlar el flujo de señales en circuitos analógicos.
Antes de entrar en los detalles de cómo un MOSFET actúa como un conmutador, déjame llevarte a través de un resumen de los conceptos básicos de un MOSFET, sus regiones de operación, estructura interna, etc.
Para obtener más información sobre los MOSFET, lea «Tutorial de MOSFET».
Esquema
Introducción al MOSFET
Un Transistor de Efecto de Campo Semiconductor de Óxido Metálico, a diferencia de un Transistor de Unión Bipolar (BJT), es un Dispositivo Unipolar en el sentido de que utiliza solo los portadores mayoritarios en la conducción.
Es un tipo de transistor de efecto de campo con una compuerta aislada del canal (por lo tanto, a veces llamada Compuerta aislada FET o IGFET) y el voltaje en el terminal de compuerta determina la conductividad.
Hablando de terminales, un MOSFET es típicamente un dispositivo de 3 terminales, que son Compuerta (G), Fuente (S) y Drenaje (D) (a pesar de que hay un cuarto terminal llamado Sustrato o Cuerpo, generalmente no se usa en la conexión de entrada o salida).
MOSFET Símbolo
MOSFET puede ser clasificado en la Mejora de tipo MOSFET y el Agotamiento de tipo MOSFET. Cada uno de estos tipos se divide en MOSFET de canal n y MOSFET de canal p.
Los símbolos para cada uno de estos tipos de MOSFETs se muestran en la imagen de abajo.
La principal diferencia entre el Modo de Mejora MOSFET y el Modo de Agotamiento MOSFET es que en el modo de agotamiento, el canal ya está formado, es decir, actúa como un interruptor Normalmente Cerrado (NC) y en el caso del modo de mejora, el canal no está formado inicialmente, es decir, un interruptor Normalmente Abierto (NO).
Estructura de MOSFET
La estructura de un MOSFET varía en función de la aplicación, es decir, los MOSFET en tecnología IC son bastante laterales, mientras que la estructura de los MOSFET de potencia es más un canal vertical. Independientemente de la aplicación, un MOSFET tiene básicamente tres terminales, a saber, Puerta, Drenaje y Fuente.
Si consideramos un MOSFET de canal n, tanto la Fuente como el Drenaje se componen de tipo n que se sientan en un sustrato de tipo p.
Funcionamiento de un MOSFET
Ahora intentemos comprender cómo funciona un MOSFET en modo de mejora de canal n. Para transportar una corriente de drenaje, debe haber un canal entre las regiones de drenaje y fuente del MOSFET.
Se crea un canal cuando el voltaje entre la compuerta y los terminales de fuente VGS es mayor que el voltaje de umbral VTH.
Cuando VGS > VTH, se dice que el dispositivo está en la región de triodo (o resistencia constante) o en la región de saturación, dependiendo del voltaje en los terminales de drenaje y fuente VDS.
Para cualquier VGS, si VDS < VGS-VTH, entonces el dispositivo está en la región de triodos (también conocida como resistencia constante o región lineal). Si VDS > VGS – VTH, el dispositivo entra en la región de saturación.
Cuando VGS < VTH, el dispositivo está en estado desactivado. La corriente de compuerta en cualquiera de las regiones de operación es muy inferior (casi igual a cero). Por lo tanto, MOSFET se conoce como Dispositivo impulsado por Voltaje.
Curva de características del MOSFET
La siguiente imagen muestra la curva característica del MOSFET en tres regiones de operación. Representa el ID de Corriente de Drenaje versus el VD de Voltaje de Drenaje a Fuente para una Puerta dada a VG de Voltaje de Fuente.
Regiones de operación de MOSFET
Basándose en el trabajo mencionado anteriormente de un MOSFET, se puede concluir que un MOSFET tiene tres regiones de operación. Son:
- Región de corte
- Región lineal (o Triodo)
- Región de saturación
Un MOSFET opera en la región de corte cuando VGS < VTH. En esta región, el MOSFET está en estado APAGADO, ya que no hay ningún canal inducido entre el drenaje y la fuente.
Para que el canal sea inducido y el MOSFET opere en la región lineal o de saturación, VGS > VTH.
El VGD de voltaje de polarización de drenaje de compuerta determinará si el MOSFET está en la región lineal o de saturación. En ambas regiones, el MOSFET está en estado ON, pero la diferencia está en región lineal, el canal es continuo y la corriente de drenaje es proporcional a la resistencia del canal.
Llegando a la región de saturación, como VDS > VGS – VTH, el canal se aprieta, es decir, se ensancha dando como resultado una corriente de drenaje constante.
Conmutación en electrónica
La conmutación de semiconductores en circuitos electrónicos es uno de los aspectos importantes. Un dispositivo semiconductor como un BJT o un MOSFET generalmente funciona como interruptores, es decir, está en estado ON o en estado OFF.
Características ideales del interruptor
Para que un dispositivo semiconductor como un MOSFET actúe como un interruptor ideal, debe tener las siguientes características:
- Durante el estado ON, no debe haber ningún límite en la cantidad de corriente que puede transportar.
- En estado OFF, no debe haber ningún límite en el voltaje de bloqueo.
- Cuando el dispositivo está en estado ON, debe haber una caída de voltaje cero.
- La resistencia de estado OFF debe ser infinita.
- La velocidad de funcionamiento del dispositivo no tiene límites.
Características prácticas del interruptor
Pero el mundo no es ideal y es aplicable incluso a nuestros interruptores semiconductores. En una situación práctica, un dispositivo semiconductor como un MOSFET tiene las siguientes características.
- Durante el estado ON, las capacidades de manejo de potencia son limitadas, p. ej. corriente de conducción limitada. El voltaje de bloqueo durante el estado de APAGADO también es limitado.
- Tiempos de encendido y apagado finitos que limitan la velocidad de conmutación. La frecuencia máxima de operación también es limitada.
- Cuando el dispositivo está ENCENDIDO, habrá una resistencia de estado de encendido finita que resultará en una caída de voltaje hacia adelante. También habrá una resistencia de estado de apagado finita que resulta en una corriente de fuga inversa.
- Un interruptor práctico experimenta pérdidas de energía durante el estado encendido, apagado y también durante el estado de transición (encendido a apagado o apagado a encendido).
Funcionamiento de un MOSFET como interruptor
Si entendiera el funcionamiento del MOSFET y sus regiones de operación, probablemente habría adivinado cómo funciona un MOSFET como interruptor. Entenderemos el funcionamiento de un MOSFET como un interruptor considerando un circuito de ejemplo simple.
Este es un circuito simple donde un MOSFET de modo de mejora de canal n encenderá o apagará una luz. Para operar un MOSFET como interruptor, debe operarse en la región de corte y lineal (o triodo).
Suponga que el dispositivo está apagado inicialmente. El voltaje a través de la puerta y la fuente, es decir, VGS, se hace apropiadamente positivo (técnicamente hablando, VGS > VTH), el MOSFET ingresa a la región lineal y el interruptor está ENCENDIDO. Esto hace que la Luz se encienda.
Si el voltaje de la puerta de entrada es 0V (o técnicamente < VTH), el MOSFET entra en estado de corte y se apaga. Esto a su vez hará que la luz se apague.
Ejemplo de MOSFET como conmutador
Considere una situación en la que desee controlar digitalmente un LED de 12W (12V @ 1A) utilizando un Microcontrolador. Cuando presiona un botón conectado al microcontrolador, el LED debe encenderse. Cuando presione el mismo botón una vez más, el LED debe apagarse.
Es obvio que no se puede controlar directamente el LED con la ayuda del microcontrolador. Necesita un dispositivo que salve la brecha entre el microcontrolador y el LED.
Este dispositivo debe tomar una señal de control del microcontrolador (generalmente el voltaje de esta señal está en el rango de voltaje de trabajo del microcontrolador, 5V por ejemplo) y suministrar energía al LED, que en este caso es de una fuente de 12V.
El dispositivo que voy a utilizar es un MOSFET. La configuración del escenario mencionado anteriormente se muestra en el siguiente circuito.
Cuando se suministra un Logic 1 (suponiendo un Microcontrolador de 5V, Logic 1 es 5V y Logic 0 es 0V) a la puerta del MOSFET, se enciende y permite que fluya la corriente de drenaje. Como resultado, el LED se enciende.
Del mismo modo, cuando se da un 0 lógico a la puerta del MOSFET, se apaga y, a su vez, apaga el LED.
Por lo tanto, puede controlar digitalmente un dispositivo de alta potencia con la combinación de microcontrolador y MOSFET.
Nota importante
Un factor importante a considerar es la disipación de potencia del MOSFET. Considere un MOSFET con una Resistencia de Drenaje a fuente de 0,1 Ω. En el caso anterior, es decir, un LED de 12W impulsado por una fuente de 12V conducirá a una corriente de drenaje de 1A.
Por lo tanto, la potencia disipada por el MOSFET es P = I2 * R = 1 * 0.1 = 0.1 W.
Esto parece ser un valor bajo, pero si conduce un motor utilizando el mismo MOSFET, la situación es ligeramente diferente. La corriente de arranque (también llamada corriente de entrada rápida) de un motor será muy alta.
Por lo tanto, incluso con RDS de 0,1 Ω, la potencia disipada durante el arranque de un motor seguirá siendo significativamente alta, lo que puede provocar una sobrecarga térmica. Por lo tanto, RDS será un parámetro clave para seleccionar un MOSFET para su aplicación.
Además, al conducir un motor, el campo electromagnético trasero es un factor importante que debe tenerse en cuenta al diseñar el circuito.
Una de las principales ventajas de conducir un motor con MOSFET es que se puede usar una señal PWM de entrada para controlar suavemente la velocidad del motor.