MOSFET como llave + taller

01 · Punto de partida

El motor que arranca antes que el programa

Con lo del tema anterior ya elegís bien: para un motor de 12 V y 2 A mandado desde una placa de 5 V, un IRLZ44N, con su resistencia garantizada a esa tensión. Conectás la compuerta a la salida, la fuente al negativo, el motor al drenaje. Funciona, y el MOSFET ni se entibia.

Son tres fallas distintas con una causa común: momentos en los que nadie controla la compuerta, o en los que la carga le devuelve energía al MOSFET. El tirón del arranque y el motor que obedece a la mano son la compuerta en el aire. El cortocircuito final es el pico de tensión de un motor desconectado sin diodo, repetido hasta que el MOSFET cedió.

Para un programador es el problema del estado por defecto. Hay una ventana, entre que el sistema recibe energía y que tu código toma el control, en la que las salidas no valen ni 0 ni 1. Lo que pase en esa ventana no lo decide el programa: lo decide el hardware. Un sistema bien hecho tiene valores por defecto seguros, que no dependen de que el código llegue a ejecutarse.

• ¿Qué piezas lleva la llave completa, y qué evita cada una?
• ¿De qué valor son los dos resistores de la compuerta, y por qué?
• ¿Qué cambia cuando la llave conmuta cientos o miles de veces por segundo?
• ¿Cómo se interrumpe el positivo en lugar del negativo?
• ¿Cómo protege un MOSFET contra una batería al revés sin perder tensión?

02 · Aplicación

La llave completa

La llave del lado del negativo con un MOSFET canal N tiene la misma forma que la del transistor bipolar del Tema 20, con tres piezas alrededor.

La fuente va directa al negativo

Como el emisor del bipolar. Si la carga se pone del lado de la fuente, la compuerta tendría que superar la tensión de la carga para encender, y el MOSFET queda a medias.

Drenaje y fuente no son intercambiables

Invertidos, el diodo interno queda en directa y la carga recibe corriente siempre, haga lo que haga la compuerta.

El negativo es común

La carga puede tener su fuente de 12 o 24 V. La tensión de compuerta se mide respecto de la fuente del MOSFET, así que el negativo de esa alimentación y el de la placa tienen que estar unidos.

03 · Selección

Cuatro pasos

1. 1
   La carga: corriente y tensión.

   La corriente de arranque si es un motor o una lámpara. Y una tensión máxima del MOSFET de al menos el doble de la fuente.

2. 2
   El MOSFET, por la tensión de mando.

   Uno cuya hoja garantice la resistencia de encendido a tu tensión de salida: 4,5 V para placas de 5 V; 2,5 V para placas de 3,3 V.

3. 3
   El calor.

   Corriente al cuadrado por la resistencia, aumentada una vez y media por temperatura. Multiplicado por los grados por watt de la cápsula, da cuánto sube.

4. 4
   Las tres piezas.

   10 kΩ entre compuerta y fuente, 220 Ω en serie, y el diodo si la carga es inductiva.

En el Tema 20, el motor de 300 mA quedaba fuera del alcance de un transistor bipolar mandado desde una salida: la base pedía 15 mA. Acá un motor de 2 A no le pide a la salida nada en forma permanente, y el MOSFET disipa menos que aquel bipolar.

04 · Selección

Los dos resistores de la compuerta

El que mantiene apagado

Es el del Tema 22: sin él, la compuerta conserva o recoge cualquier tensión. Con 10 kΩ a la fuente, cuando la salida no está definida la compuerta queda en 0 V y la carga, apagada. Mientras la salida manda, ese resistor consume 5 V ÷ 10 kΩ = 0,5 mA: es toda la corriente permanente que la llave le pide a la placa.

El que limita el pico

La compuerta es un capacitor. Para la salida, un capacitor descargado es, por un instante, casi un cortocircuito: en el momento de encender entrega toda la corriente que puede. El pulso dura menos de una millonésima de segundo, pero se repite en cada conmutación y puede superar varias veces el máximo de la salida.

Un resistor de 220 Ω lo limita a 5 V ÷ 220 Ω = 23 mA en el peor instante, y la compuerta se carga igual, en unas pocas millonésimas de segundo.

Por qué uno es chico y el otro grande

Los dos resistores forman un divisor entre la salida y el negativo. La compuerta recibe la tensión del punto medio:

05 · Aplicación

Conmutar muchas veces por segundo

Para atenuar una tira de LED o variar la velocidad de un motor no se reduce la tensión: se enciende y se apaga la llave muy rápido, variando qué parte del tiempo está encendida. Es la modulación por ancho de pulso, o PWM, que apareció en los Temas 12 y 17. El MOSFET es la llave ideal para eso, con una condición.

Cada vez que la llave cambia de estado, el MOSFET atraviesa la zona intermedia: durante el tiempo que tarda en cargarse la compuerta tiene, a la vez, tensión y corriente. Ese instante produce calor. Una conmutación suelta no importa. Miles por segundo, sí.

El calor por conducción de esa llave, encendida todo el tiempo, es de 0,1 W. Con un resistor de compuerta de 10 kΩ, el solo hecho de conmutar a 500 Hz, que es la frecuencia habitual de muchas placas, produce doce veces más. Y a 20 kHz el MOSFET nunca termina de encender ni de apagar: queda en la zona intermedia en forma permanente.

La regla práctica

Con el resistor de 100 a 220 Ω y la frecuencia de PWM por defecto de una placa, de 500 a 1000 Hz, un MOSFET de nivel lógico trabaja frío. Es el caso de este curso.

Cuándo deja de alcanzar

Con frecuencias de decenas de kilohertz o MOSFET muy grandes, la salida de un microcontrolador no puede cargar la compuerta con la rapidez necesaria. Se intercala un circuito integrado hecho para eso, el excitador de compuerta, que queda para el curso 7.

El diodo, con PWM

Con una carga inductiva, el diodo conduce en cada apagado, cientos de veces por segundo. Conviene uno rápido, un Schottky como el 1N5819, en lugar del 1N4007, que era suficiente para un relé que conmuta de vez en cuando.

06 · Aplicación

La llave del lado del positivo

A veces la carga tiene que quedar unida al negativo: porque su carcasa está conectada a él, o porque comparte ese punto con otros circuitos. Entonces hay que interrumpir el positivo, y para eso va un MOSFET canal P.

Cómo se conecta

La fuente del MOSFET al positivo, la carga entre el drenaje y el negativo. Un resistor de 10 kΩ entre compuerta y fuente lo mantiene apagado, llevando la compuerta al positivo.

Cómo se enciende

Llevando la compuerta hacia el negativo. La lógica queda invertida: nivel bajo, encendido.

Si la carga usa la misma tensión que la placa, la salida puede mandar la compuerta directamente. Con una fuente mayor aparece el mismo problema que con el PNP del Tema 20:

La salida no puede llegar a 12 V, así que nunca apaga el MOSFET. Y hay algo peor: a través del resistor entre compuerta y fuente, los 12 V llegan a la pata del microcontrolador.

La solución es poner un transistor chico en el medio. Un BC547 o un 2N7000, conectado como la llave del lado del negativo que ya conocés, con la compuerta del canal P como «carga»:

Con la salida en bajo, el transistor chico se abre, el resistor de 10 kΩ lleva la compuerta a los 12 V y la carga se apaga. La pata del microcontrolador solo ve su propia tensión, y de paso la lógica vuelve a ser directa.

07 · Aplicación

Protección contra inversión, sin pérdida

En el Tema 16 quedó un caso sin resolver. Un diodo en serie protege contra una batería conectada al revés, pero se queda con 0,7 V, o con 0,3 a 0,4 V si es un Schottky. Con una batería de 3,7 V, eso es el 10 o el 20 % de la energía. Un MOSFET canal P hace el mismo trabajo perdiendo centésimas de volt.

1. 1
   Batería bien conectada: primer instante.

   El diodo interno del MOSFET, que va del drenaje a la fuente, conduce. El circuito recibe la tensión de la batería menos 0,6 V.

2. 2
   El MOSFET se enciende solo.

   La fuente quedó a casi la tensión de la batería y la compuerta está en el negativo: la compuerta está varios volts por debajo de la fuente, que es la condición para que un canal P conduzca. El canal se abre y puentea al diodo.

3. 3
   Queda la resistencia de encendido.

   Con 0,5 A y 60 mΩ, la pérdida es de 0,03 V.

4. 4
   Batería al revés.

   La compuerta queda en el positivo y la fuente no recibe tensión: el MOSFET permanece apagado. Y su diodo interno queda en inversa. No pasa corriente.

Qué MOSFET sirve

Uno canal P cuya resistencia esté garantizada a una tensión de compuerta menor que la de la batería descargada. Para una batería de 3,7 V que se usa hasta 3 V, uno especificado a 2,5 V, como el AO3401.

El límite

La compuerta recibe toda la tensión de la batería. Si esa tensión supera el máximo de la compuerta, se agregan un resistor y un Zener para limitarla.

Cuándo no vale la pena

Con 9 o 12 V, perder 0,7 V rara vez importa, y un diodo es más simple y más barato. La elección del Tema 16 sigue en pie: rectificador con tensión de sobra, Schottky con poca, MOSFET cuando no hay margen.

08 · Simulador

Banco de la llave MOSFET

Un IRLZ44N mandado por una salida de 5 V, con una carga de 12 V y 2 A. Poné y quitá cada una de las tres piezas, cambiá la forma de uso y mirá qué falla.

• A la izquierda, el circuito: las piezas que quites desaparecen del dibujo.
• A la derecha, cuatro verificaciones, una por cada instante crítico, y debajo el calor total en el MOSFET.
• Con PWM, la llave está encendida la mitad del tiempo.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: el MOSFET solo, con un motor. En régimen funciona y disipa 0,1 W. Pero tres de las cuatro verificaciones están en rojo.

2. 2
   Agregá el resistor de 10 kΩ entre compuerta y fuente.

   La primera verificación pasa a verde: en el arranque la compuerta queda en 0 V.

3. 3
   Agregá el resistor en serie de 220 Ω.

   El pico pedido a la salida baja de 200 mA a 20 mA. La compuerta recibe 4,89 V en lugar de 5.

4. 4
   Agregá el diodo.

   Las cuatro verificaciones en verde. Es el estado del botón «Poner las tres piezas».

5. 5
   Cambiá la forma de uso a PWM de 500 Hz, y después de 20 kHz.

   A 500 Hz la conmutación agrega 0,03 W. A 20 kHz agrega más de 1 W y el MOSFET pasa los 100 °C: la salida de la placa ya no carga la compuerta con suficiente rapidez.

6. 6
   Volvé a 500 Hz y cambiá el resistor en serie a 10 kΩ.

   La compuerta recibe solo 2,5 V y el MOSFET queda a medias. Quitá ahora el resistor de 10 kΩ a la fuente: vuelve a recibir 5 V, pero cada cambio de estado tarda 100 µs, cuarenta veces más, y solo conmutar produce 1,2 W.

7. 7
   Con las tres piezas, cambiá la carga a la tira de LED y quitá el diodo.

   No pasa nada: una carga resistiva no devuelve energía. El diodo es para motores, relés y bobinas.

8. 8
   Volvé al motor, sin diodo, con PWM de 500 Hz.

   Quinientos cortes por segundo, cada uno con su pico. Es la manera más rápida de dejar un MOSFET en cortocircuito.

Preguntas para pensar

1. En el paso 1 el circuito funciona. ¿Por qué no alcanza con eso?
2. En el paso 6, ¿por qué un resistor de compuerta más grande calienta más al MOSFET, si deja pasar menos corriente?
3. ¿Por qué el diodo va en paralelo con la carga y no con el MOSFET?

09 · Taller

Montar y medir

Hacen falta un MOSFET canal N de nivel lógico (un IRLZ44N, o un 2N7000), un LED rojo, resistores de 470 Ω, 220 Ω, 10 kΩ y 1 MΩ, una batería de 9 V y el multímetro. Como en el Tema 20, la batería alimenta la carga y hace de «salida en alto»: la compuerta se manda con un cable al positivo.

El diseño y la predicción

La carga es el LED con 470 Ω: (9 − 2) ÷ 470 = 15 mA. Con el divisor de 220 Ω y 10 kΩ, la compuerta recibe 9 × 10 ÷ 10,22 = 8,8 V.

La cuarta fila tiene una trampa útil. Por el resistor de 220 Ω circulan 0,86 mA, pero esa corriente no entra a la compuerta: baja por el resistor de 10 kΩ. Quitá ese resistor y la tensión sobre los 220 Ω cae a cero. En el Tema 20, la misma medición sobre el resistor de base daba la corriente que el transistor consumía. Acá no consume.

Cuatro montajes

1. A
   La llave completa.

   Tomá las mediciones de la tabla. Después desconectá del positivo el cable de mando: el LED se apaga enseguida, porque el resistor de 10 kΩ descarga la compuerta.

2. B
   Sin el resistor de 10 kΩ: un bit de memoria.

   Quitalo. Tocá el positivo con el cable de mando y soltalo: el LED queda encendido. La compuerta guardó su carga. Tocá con un dedo la compuerta y con otro el negativo: se apaga. Tocá la compuerta y el positivo: enciende. Acercá la mano sin tocar y mirá el LED.

3. C
   Un resistor en serie enorme, sin el de 10 kΩ.

   Reemplazá los 220 Ω por 1 MΩ y mandá la compuerta. El LED enciende con el mismo brillo, y la tensión entre drenaje y fuente es la misma del montaje A. En el Tema 20, un resistor de base de 1 MΩ dejaba al transistor bipolar en zona activa. Al MOSFET le da igual: no necesita corriente.

4. D
   El mismo megaohm, ahora con el resistor de 10 kΩ.

   Volvé a poner el resistor de 10 kΩ entre compuerta y fuente. El LED no enciende. El divisor deja en la compuerta 9 × 10 ÷ 1010 = 0,09 V. Es la tabla de la sección 4, en la mesa.

El dictamen

10 · La llave en código

Diseño, conmutación e inversión

La llave completa

Los cuatro pasos, con la tabla de hojas del tema anterior.

HOJAS = {     # tensión de compuerta -> resistencia garantizada (ohm); tensión, corriente, °C/W
    "2N7000":  ({10: 5.0, 4.5: 5.3}, 60, 0.2, 312),
    "AO3400":  ({10: 0.0265, 4.5: 0.032, 2.5: 0.052}, 30, 5.7, 125),
    "IRLZ44N": ({10: 0.022, 5: 0.025, 4: 0.035}, 55, 47, 62),
}


def llave(amperes, v_carga, v_mando, inductiva, arranque=1):
    print(f"Carga de {amperes} A a {v_carga} V, mando de {v_mando} V")
    for modelo, (hoja, v_max, i_max, grados_por_watt) in HOJAS.items():
        cubiertas = [v for v in hoja if v <= v_mando]
        if not cubiertas or v_max < 2 * v_carga or amperes * arranque > 0.5 * i_max:
            continue
        ohm = hoja[max(cubiertas)]
        calor = amperes ** 2 * ohm * 1.5
        sube = calor * grados_por_watt
        if sube > 60:
            continue
        print(f"  MOSFET: {modelo}, {ohm * 1000:g} mohm garantizados")
        print(f"  Calor: {calor * 1000:.0f} mW, sube {sube:.0f} grados sin disipador")
        print(f"  Compuerta: 220 ohm en serie (pico {v_mando / 220 * 1000:.0f} mA) y 10 kohm a la fuente")
        print("  Diodo en paralelo con la carga: " + ("SÍ, es inductiva" if inductiva else "no hace falta"))
        return modelo
    print("  Ningún MOSFET de la lista cumple: revisar la tensión de mando o agregar disipador")


llave(2, 12, 5, inductiva=True, arranque=4)
llave(0.08, 12, 5, inductiva=False)
llave(1, 12, 3.3, inductiva=True, arranque=2)
llave(4, 12, 3.3, inductiva=False)

El último caso no encuentra solución: analizá por qué, y qué cambiarías.

El calor de conmutar

CARGA_COMPUERTA = 25e-9      # coulomb: lo que hay que entregar para cambiar de estado
V_SALIDA, V_MESETA, R_SALIDA = 5.0, 2.5, 25


def conmutacion(r_serie, hertz, volts=12, amperes=2):
    i_compuerta = (V_SALIDA - V_MESETA) / (r_serie + R_SALIDA)
    tiempo = CARGA_COMPUERTA / i_compuerta
    if 2 * tiempo * hertz >= 1:
        return tiempo, None                       # no llega a completar un cambio
    return tiempo, 2 * hertz * 0.5 * volts * amperes * tiempo


print("Rg       cambio      500 Hz     5 kHz     20 kHz")
for r in (0, 220, 1000, 10_000):
    fila = []
    for hertz in (500, 5000, 20_000):
        tiempo, watts = conmutacion(r, hertz)
        fila.append("  no conmuta" if watts is None else f"{watts * 1000:9.0f} mW")
    print(f"{r:>6} {tiempo * 1e6:7.1f} us {''.join(fila)}")

print(f"Conducción, encendido todo el tiempo: {2 ** 2 * 0.025 * 1000:.0f} mW")

Sin resistor en serie conmuta más rápido, pero la salida entrega un pico de 5 / 25 = 0,2 A. El resistor de 220 Ω es el compromiso.

Protección contra inversión: cuánto se pierde

def perdida(nombre, caida_fija, ohm, amperes, v_bateria):
    cae = caida_fija + ohm * amperes
    print(f"  {nombre:22} cae {cae:.2f} V  llegan {v_bateria - cae:.2f} V  "
          f"se pierde el {100 * cae / v_bateria:4.1f} %")


for v_bateria, amperes in ((3.7, 0.5), (12, 0.5), (3.7, 2)):
    print(f"Batería de {v_bateria} V, {amperes} A")
    perdida("Diodo 1N4007", 0.75, 0.2, amperes, v_bateria)
    perdida("Schottky 1N5819", 0.30, 0.16, amperes, v_bateria)
    perdida("MOSFET P de 60 mohm", 0.0, 0.06, amperes, v_bateria)

Con 12 V, el diodo común pierde el 7 %: suele ser aceptable. Con 3,7 V pierde el 23 %. La decisión depende de la tensión disponible, no del componente.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: una llave completa

Una electroválvula de 12 V que consume 400 mA, mandada desde una placa de 5 V. Elegí el MOSFET entre los de la tabla del Tema 22, calculá el calor y listá todas las piezas.

Ejercicio 2: el divisor de la compuerta

Alguien arma la llave con una placa de 3,3 V, 4,7 kΩ en serie con la compuerta y 10 kΩ entre compuerta y fuente, y un MOSFET garantizado a 2,5 V. ¿Qué tensión recibe la compuerta? ¿Es un problema?

Ejercicio 3: diagnóstico

Una bomba de 12 V manejada con PWM desde hace meses deja de responder: queda encendida al máximo. Medís 0,03 V entre drenaje y fuente con la salida en bajo. El circuito no tiene diodo. ¿Qué pasó, y qué hay que hacer además de cambiar el MOSFET?

Ejercicio 4: PWM y resistor de compuerta

Con la tabla de la sección 5: una tira de 2 A atenuada con PWM de 500 Hz. Compará el calor total en el MOSFET con resistores en serie de 220 Ω y de 10 kΩ, suponiendo que está encendida la mitad del tiempo y que la compuerta recibe en los dos casos tensión suficiente.

Ejercicio 5: lado positivo

Hay que cortar el positivo de una carga de 12 V con un MOSFET canal P, mandado desde una salida de 3,3 V. Describí el circuito y decí qué estado tiene la carga mientras la placa arranca.

Ejercicio 6: el taller completo

Con las piezas reales. Hacé los montajes A, B, C y D de la sección 9, anotando la predicción antes de cada medición. En el montaje B, medí cuánto tiempo queda encendido el LED sin tocar nada.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 24?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Dibujar la llave con un canal N y sus tres piezas.
• Decir qué hace cada uno de los dos resistores de la compuerta.
• Explicar por qué el resistor en serie no puede ser de 10 kΩ.
• Decir dónde va el diodo y con qué cargas.
• Explicar por qué conmutar produce calor.
• Decir por qué un canal P con 12 V no se manda directamente desde una salida.
• Explicar cómo un MOSFET protege contra una batería al revés.

Ya tenés las dos llaves: la del bipolar, con su corriente de base, y la del MOSFET, con su tensión de compuerta. Queda ordenar la decisión: para cada carga y cada mando, cuál conviene y por qué. En el próximo tema, BJT contra MOSFET: la tabla de decisión.