MOSFET: Vgs, Rds(on) y ESD

01 · Punto de partida

49 amperes que no encienden una tira de 3

En el Tema 3 quedó planteado un caso: una tira de LED de 12 V y 3 A, y un MOSFET IRFZ44N cuya publicación decía «55 V, 49 A, 94 W». Los máximos sobraban por todos lados. Faltaba leer una condición.

Ningún componente estaba fallado. El IRFZ44N está hecho para ser mandado con 10 V. Con 3,3 V queda apenas por encima de su tensión de umbral, el punto en el que empieza a conducir, y se comporta como un resistor de varios ohms en serie con la tira. Con 12 V, eso es mucho calor. El segundo ejemplar tenía el umbral algo más alto y ni siquiera empezó.

Para un programador, es un problema de niveles lógicos: una señal de 3,3 V conectada a una entrada que considera «alto» recién a partir de 4 V. El valor es correcto para quien lo emite e insuficiente para quien lo recibe. Y la solución es la misma: leer el nivel que el receptor exige, no el máximo que soporta.

• ¿Qué diferencia a un MOSFET de un transistor bipolar?
• ¿Qué es la tensión de umbral, y por qué no alcanza con superarla?
• ¿Qué es la resistencia de encendido, y a qué tensión de mando vale?
• ¿Qué quiere decir «de nivel lógico»?
• ¿Por qué la compuerta nunca se deja sin conectar, y qué le hace la estática?

02 · Identificar

Una compuerta aislada

Un MOSFET tiene tres terminales, que cumplen los mismos papeles que los de un transistor bipolar con otros nombres:

La diferencia está en la compuerta. En el bipolar, la base era un diodo: para mandar había que hacer circular corriente por ella. En el MOSFET, la compuerta está separada del resto por una capa aislante finísima. No circula corriente: lo que actúa es la tensión.

Compuerta, aislante y canal forman un capacitor, el del Tema 10. Al aplicar tensión, la compuerta se carga, y esa carga atrae portadores que forman un camino conductor, el canal, entre el drenaje y la fuente. Cuanta más tensión, más ancho el canal y menor su resistencia.

La diferencia se parece a la que hay entre mantener algo vivo enviando mensajes periódicos y escribir un valor en una variable. El bipolar cobra por cada instante que está encendido. El MOSFET cobra solo por el cambio: una vez escrita la compuerta, el estado se conserva.

La tensión que importa es entre compuerta y fuente

Se escribe V_GS. No es la tensión de la compuerta respecto del negativo del circuito, sino respecto de la pata de fuente del propio MOSFET. En la llave del lado del negativo coinciden; en otras conexiones, no.

«No pide corriente» tiene una excepción

Cargar y descargar la compuerta requiere un pulso breve de corriente. Para encender y apagar una carga, no importa. Para conmutar miles de veces por segundo, sí: es un detalle del próximo tema.

El aislante es su punto débil

Esa capa mide millonésimas de milímetro. Soporta unos 20 V; por encima, se perfora y el MOSFET queda dañado para siempre. De ahí salen dos de las tres condiciones de este tema.

03 · Identificar

Canal N, canal P y el diodo interno

Como en los bipolares, hay dos tipos con las polaridades invertidas.

El diodo interno

Todo MOSFET de potencia tiene, por construcción, un diodo entre la fuente y el drenaje. En un canal N apunta de la fuente al drenaje: en el uso normal queda en inversa y no interviene.

Un MOSFET solo bloquea en un sentido

Apagado, impide que la corriente pase del drenaje a la fuente. En el sentido contrario, el diodo interno conduce siempre, esté el MOSFET encendido o no. No sirve, por sí solo, para interrumpir una corriente que puede ir en los dos sentidos.

Conectado al revés, no protege nada

Si se invierten el drenaje y la fuente, la carga queda alimentada en forma permanente a través del diodo.

Sirve para probarlo

Es lo que el multímetro detecta en modo diodo, y la base de la prueba de la sección 8.

04 · Características

El umbral no es la tensión de trabajo

La hoja de todo MOSFET trae un renglón llamado tensión de umbral, V_GS(th). Es el que peor se interpreta. Para el IRFZ44N dice: entre 2 y 4 V.

Lo que hay que leer es la condición con la que se mide: una corriente de drenaje de 250 microamperes. El umbral es la tensión de compuerta a la que el MOSFET deja pasar un cuarto de miliamper. Es el punto donde deja de estar apagado, no el punto donde está encendido.

Entre el apagado y el encendido a fondo hay una franja en la que el MOSFET conduce a medias: tiene mucha tensión y mucha corriente a la vez. Es su zona activa, con la misma consecuencia que en el bipolar: el máximo de calor. En la fila de 3,3 V disipa 6,3 W en una cápsula que sin disipador tolera poco más de 1.

05 · Características

La resistencia de encendido

Con suficiente tensión de compuerta, el canal queda abierto del todo y el MOSFET se comporta como un resistor de valor muy bajo: la resistencia de encendido, R_DS(on). El calor sale de la fórmula del curso 1:

Con 3 A y 22 mΩ: 9 × 0,022 = 0,2 W. Un transistor bipolar con la misma corriente se quedaría con medio volt y disiparía 1,5 W, además de pedir 150 mA de base.

Pero el valor de la resistencia viene siempre acompañado de una condición, y es lo que separa a un MOSFET que sirve de uno que no:

«Sin dato» es la respuesta

Si la hoja no indica la resistencia para tu tensión de mando, el fabricante no promete nada a esa tensión. El IRFZ44N puede funcionar con 5 V en tu mesa, con esa unidad. No es un diseño.

Qué significa «de nivel lógico»

Que la hoja garantiza la resistencia con 4,5 o 5 V de compuerta. En inglés, logic level. En la familia del ejemplo lo indica la letra L: IRLZ44N. No es una regla general: cada fabricante nombra a su manera, y lo que decide es la tabla.

Para 3,3 V hace falta más

Un MOSFET con resistencia garantizada a 2,5 V, como el AO3400. Uno «de nivel lógico» especificado a 4,5 V queda, con 3,3 V, otra vez fuera de lo que la hoja promete.

Sube con la temperatura

La resistencia de encendido aumenta al calentarse: a 100 °C es alrededor de una vez y media la de 25 °C. Para calcular el calor conviene usar ese valor mayor.

No todos son de milésimas

El 2N7000 tiene 5 Ω: es un MOSFET de señal, para cargas de hasta unos 100 mA. Con 100 mA disipa 50 mW; con 1 A disiparía 5 W.

06 · Características

Los máximos, releídos

Con lo anterior, los números del título de una publicación se leen de otra manera.

Cuánta corriente, en tu mesa

Una cápsula TO-220 al aire, sin disipador, sube unos 62 °C por cada watt. Si aceptás que llegue a 100 °C partiendo de 25 °C, el presupuesto es de 1,2 W. Con una resistencia de encendido de 25 mΩ, aumentada una vez y media por el calor:

De los 47 A del título quedan menos de 6 sin disipador. Sigue siendo mucho: es treinta veces lo que manejaba un transistor bipolar mandado desde una salida. Pero es el número real.

07 · Cuidados

La compuerta: en el aire y la estática

La compuerta aislada es lo que hace al MOSFET fácil de mandar. Es también el origen de sus dos cuidados propios.

Nunca en el aire

Una compuerta sin conectar es un capacitor sin nada que lo descargue. Conserva la última tensión que tuvo, o toma la que le induzca cualquier cosa cercana: una mano, un cable con corriente alterna. El MOSFET queda encendido, apagado o, lo que es peor, a medias.

Cuándo pasa

Mientras el microcontrolador arranca o se programa y sus patas todavía no son salidas. Con un cable de compuerta mal pinchado. O probando el MOSFET suelto en la protoboard.

Qué se ve

Una carga que se enciende sola al acercar la mano. Un MOSFET que queda encendido después de quitar el mando. Un MOSFET que se calienta sin razón aparente.

La solución

Un resistor de 10 kΩ a 100 kΩ entre la compuerta y la fuente, siempre. Descarga la compuerta cuando nadie la maneja y garantiza el apagado. Es el mismo resistor que en el bipolar era recomendable; acá es obligatorio.

En programación es una variable sin inicializar: contiene lo que había en esa posición de memoria, y el programa se comporta distinto en cada ejecución. El resistor es el valor por defecto.

La descarga electrostática

Caminar sobre una alfombra o quitarse un abrigo carga el cuerpo a miles de volts. La energía es mínima, y por eso no se siente por debajo de unos 3000 V. Pero el aislante de la compuerta soporta 20. Una descarga que no notás alcanza para perforarlo. En las hojas de datos y en las bolsas aparece con sus siglas en inglés: ESD.

El daño no siempre se nota

Una compuerta perforada puede quedar en cortocircuito, y el MOSFET deja de responder. O puede quedar con una fuga: funciona, pero no apaga del todo, o falla semanas después. Un MOSFET que «se comporta raro» es, muchas veces, uno que recibió una descarga.

No todos son igual de frágiles

Los chicos, como el 2N7000, son los más sensibles: su compuerta tiene muy poca capacidad y una descarga pequeña ya la lleva a tensiones altas. Los de potencia toleran más. Algunos traen un Zener de protección incorporado. Conviene tratarlos a todos como frágiles.

08 · Verificar

Identificarlo y probarlo

En la cápsula TO-220, casi todos los MOSFET de potencia tienen el mismo orden: mirando el frente con las patas hacia abajo, compuerta, drenaje, fuente, y la aleta metálica unida al drenaje. En cápsulas chicas el orden cambia con el modelo: el 2N7000 es fuente, compuerta, drenaje. Como siempre, lo confirma la hoja.

La prueba con el multímetro

El modo diodo permite comprobar las dos cosas que importan: que el diodo interno está sano y que la compuerta manda. Para un MOSFET canal N:

1. 1
   Descargá la compuerta.

   Tocá a la vez la compuerta y la fuente con un dedo o con un trozo de cable, durante un segundo.

2. 2
   Medí el diodo interno.

   Punta roja en la fuente, negra en el drenaje: tiene que marcar entre 0,4 y 0,6 V. Al revés, roja en el drenaje y negra en la fuente: «OL». El MOSFET está apagado.

3. 3
   Cargá la compuerta.

   Dejá la punta negra en la fuente y tocá un instante la compuerta con la roja. El multímetro la carga con la tensión que usa para medir, de 2 a 3 V.

4. 4
   Volvé a medir.

   Roja en el drenaje, negra en la fuente. Si ahora marca un valor bajo, cercano a cero, el MOSFET se encendió y sigue encendido sin que nadie lo mande: la compuerta conserva su carga.

5. 5
   Descargá de nuevo.

   Tocá compuerta y fuente con el dedo y repetí la medición: tiene que volver a «OL».

El paso 4 es, además, una demostración: un MOSFET que queda encendido porque se le tocó la compuerta una vez es la mejor explicación de por qué nunca se la deja en el aire.

09 · Simulador

¿Abre con tu mando?

Un MOSFET canal N como llave de una carga de 12 V. Elegí el modelo, la carga y la tensión que le llega a la compuerta, y probá con la unidad típica, la peor o la mejor.

• A la izquierda, la resistencia que presenta el MOSFET según la tensión de compuerta, en escala logarítmica. La franja sombreada cubre todas las unidades posibles, del umbral mínimo al máximo.
• A la derecha, tres barras: cuánta corriente llega a la carga, cuánto calor queda en el MOSFET y qué temperatura alcanzaría sin disipador.
• La línea vertical punteada marca la menor tensión de compuerta para la que la hoja garantiza la resistencia.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: IRFZ44N, 3,3 V en la compuerta y una tira de 3 A. La tira recibe 0,7 A, y el MOSFET se queda con 9,3 V y más de 6 W.

2. 2
   Cambiá la unidad a la peor, y después a la mejor.

   Con la peor, de umbral 4 V, no conduce nada: es el segundo MOSFET de la escena. Con la mejor, funciona. Tres piezas con el mismo código, tres resultados.

3. 3
   Con la unidad típica, subí la tensión de compuerta despacio de 3 a 10 V.

   La resistencia cae varias decenas de veces en el primer volt, y después sigue bajando más lentamente. Mirá el calor: pasa por un máximo cerca de 3,4 V y después se desploma.

4. 4
   Dejá 5 V y recorré las tres unidades.

   Las tres encienden, pero el simulador avisa: la hoja de este modelo solo garantiza la resistencia con 10 V. Es la placa de 5 V de la escena: funcionaba, sin respaldo.

5. 5
   Elegí el IRLZ44N, con 3,3 V y con 5 V.

   Con 5 V está dentro de lo garantizado. Con 3,3 V funciona con las tres unidades, pero por debajo de los 4 V que cubre la hoja.

6. 6
   Elegí el AO3400 con 3,3 V.

   Es el único de los cuatro garantizado a esa tensión. Probá 5 A: la cápsula es diminuta y la temperatura sube más que en un TO-220.

7. 7
   Elegí el 2N7000 con 5 V, y cambiá la carga de 0,1 A a 1 A.

   Con 0,1 A trabaja bien. Con 1 A no alcanza: tiene ohms, no miliohms, y supera su corriente máxima.

8. 8
   Presioná «Dejar la compuerta en el aire».

   No hay un resultado: el estado depende de lo que haya alrededor. Después llevá la tensión de compuerta a 22 V con el IRFZ44N.

Preguntas para pensar

1. En el paso 3, ¿por qué el calor es máximo con el MOSFET a medio abrir y no con el MOSFET apagado ni encendido?
2. En el paso 4, el IRFZ44N funciona con 5 V en las tres unidades. ¿Por qué no alcanza para usarlo así?
3. ¿Qué tienen en común la escena de este tema y la de las dos placas del Tema 19?

10 · El MOSFET en código

Calor, garantía y corriente real

Bipolar contra MOSFET

El calor en la llave y lo que hay que entregarle al mando, para la misma carga.

def bipolar(amperes):
    v_sat = 0.1 + 0.15 * amperes            # la saturación empeora con la corriente
    return v_sat * amperes, amperes / 20    # calor, corriente de base


def mosfet(amperes, miliohm=25, factor_calor=1.5):
    return amperes ** 2 * miliohm / 1000 * factor_calor, 0.0


print("carga     bipolar: calor y base         MOSFET 25 mohm: calor y mando")
for amperes in (0.02, 0.1, 0.5, 1, 3, 5):
    p_b, i_b = bipolar(amperes)
    p_m, i_m = mosfet(amperes)
    print(f"{amperes:5} A   {p_b * 1000:7.0f} mW  {i_b * 1000:6.1f} mA        "
          f"{p_m * 1000:7.1f} mW  {i_m:.0f} mA")

Con 20 mA la diferencia de calor es irrelevante: para un LED, un BC547 sigue siendo una buena elección. Probá con miliohm=5000, un 2N7000.

¿Qué garantiza la hoja con mi tensión de mando?

La tabla de la sección 5, convertida en una función de selección.

HOJAS = {     # tensión de compuerta -> resistencia máxima garantizada (ohm)
    "IRFZ44N": {10: 0.0175},
    "IRLZ44N": {10: 0.022, 5: 0.025, 4: 0.035},
    "2N7000":  {10: 5.0, 4.5: 5.3},
    "AO3400":  {10: 0.0265, 4.5: 0.032, 2.5: 0.052},
}
CORRIENTE_MAX = {"IRFZ44N": 49, "IRLZ44N": 47, "2N7000": 0.2, "AO3400": 5.7}


def garantizada(modelo, v_mando):
    cubiertas = [v for v in HOJAS[modelo] if v <= v_mando]
    return HOJAS[modelo][max(cubiertas)] if cubiertas else None


def elegir(v_mando, amperes):
    print(f"Mando de {v_mando} V, carga de {amperes} A")
    for modelo in HOJAS:
        r = garantizada(modelo, v_mando)
        if r is None:
            print(f"  {modelo:8} sin garantía: la hoja empieza en {min(HOJAS[modelo])} V")
        elif amperes > 0.5 * CORRIENTE_MAX[modelo]:
            print(f"  {modelo:8} corriente excesiva para este modelo")
        else:
            print(f"  {modelo:8} {r * 1000:7.1f} mohm -> {amperes ** 2 * r * 1.5:.3f} W")


elegir(3.3, 2)
elegir(5, 3)
elegir(5, 0.08)

Agregá a HOJAS un MOSFET que tengas, copiando de su hoja las filas de R_DS(on) con sus condiciones.

La corriente real, sin disipador

from math import sqrt

CAPSULAS = {"TO-220": 62, "TO-92": 312, "SOT-23": 125}     # grados por watt, al aire


def corriente_real(capsula, ohm, t_ambiente=25, t_max=100, factor_calor=1.5):
    presupuesto = (t_max - t_ambiente) / CAPSULAS[capsula]
    return sqrt(presupuesto / (ohm * factor_calor)), presupuesto


for modelo, capsula, ohm, de_hoja in (
    ("IRLZ44N", "TO-220", 0.025, 47),
    ("AO3400", "SOT-23", 0.052, 5.7),
    ("2N7000", "TO-92", 5.3, 0.2),
):
    amperes, watts = corriente_real(capsula, ohm)
    print(f"{modelo:8} {capsula:7} presupuesto {watts:.2f} W -> {amperes:5.2f} A reales "
          f"(la hoja dice {de_hoja} A)")

Cambiá t_ambiente a 50, el interior de una caja al sol. ¿Cuánto baja la corriente utilizable?

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: calor en la llave

Una carga de 3 A manejada por un IRLZ44N con 5 V en la compuerta. Calculá el calor en el MOSFET con la resistencia de la hoja y con la resistencia en caliente, y la temperatura que alcanza sin disipador.

Ejercicio 2: elegir para 3,3 V

Con una placa de 3,3 V hay que manejar dos cargas: una tira de 2 A y un zumbador de 30 mA. Usando la tabla de la sección 5, ¿qué MOSFET sirve para cada una?

Ejercicio 3: la escena

Explicá, con la tabla de la sección 4, por qué el primer IRFZ44N de la escena quemaba y el segundo no encendía la tira, siendo los dos piezas sanas.

Ejercicio 4: la corriente real

¿Cuánta corriente puede manejar un AO3400 sin superar los 100 °C, con 25 °C de ambiente y 3,3 V en la compuerta? Su cápsula sube unos 125 °C por watt.

Ejercicio 5: el pico de calor, en el simulador

Con el IRFZ44N típico y la carga de 3 A, anotá el calor en el MOSFET para 3,0, 3,2, 3,4, 3,6, 4,0 y 5,0 V de compuerta. ¿Dónde está el máximo, y cuánta corriente recibe la carga en ese punto?

Ejercicio 6: probá un MOSFET

Con una pieza real. Aplicá los cinco pasos de la sección 8 a un MOSFET canal N. Anotá la lectura del diodo interno y si en el paso 4 llega a encenderse.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 23?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Nombrar los tres terminales y decir cuál recibe el mando.
• Explicar por qué un MOSFET no necesita corriente para mantenerse encendido.
• Decir qué indica la tensión de umbral y qué no.
• Calcular el calor en un MOSFET de 25 mΩ con 2 A.
• Explicar qué hay que mirar en la hoja antes de usar un MOSFET con 3,3 V.
• Decir por qué la compuerta lleva un resistor a la fuente.
• Explicar por qué el IRFZ44N de la escena quemaba.

Ya sabés elegirlo. Falta armar la llave completa: los dos resistores de la compuerta, la protección de las cargas inductivas, el caso del lado del positivo y la protección contra inversión sin pérdida que quedó pendiente en el Tema 16. En el próximo tema, el MOSFET como llave, con su taller.