Transistores de Efecto de Campo de unión Metal Oxido Semiconductor
(MOSFET's)
(MOSFET's)
El MOSFET es un dispositivo de 4 terminales y la corriente que circula internamente es controlada por un campo eléctrico. Los terminales son Fuente (Source), Compuerta (Gate), Drenaje(Drain) y el Sustrato (Sustrate) cuando está polarizada la compuerta (V=0), se cierran la uniones p-n ubicadas entre el drenaje y la fuente y por esto no hay flujo de corriente entre la fuente y el drenado. Cuando se le aplica a la compuerta un voltaje positivo con respecto a la fuente (la entrada y el sustrato son comunes), las cargas negativas en el canal son inducidas y comienza a circular corriente por el canal. De ahí en adelante la corriente es controlada por el campo eléctrico, este tipo de dispositivo es llamado transistor de efecto de campo de unión o JFET. El MOSFET ha reemplazado a los BJT en muchas aplicaciones electrónicas porque sus estructuras son mas sencillas y su costo es menor. Entre estos también se encuentran los MOSFET de canal n (nMOS), MOSFET de canal p (PMOS), MOSFET complementarios (CMOS), memorias de compuertas lógicas y dispositivos de carga acoplada (CCDs).
El transistor de efecto de campo de Metal-Aislante-Semiconductor (MISFET) El cual es formado por un metal como es el Aluminio (Al) y un semiconductor como puede ser el Silicio (Si), Germanio (Ge) o el Arseniuro de Galio (GaAs) colocados entre un aislante como puede ser SiO2, Si3N4 o Al2O3. Si la estructura formada es Al- SiO2-Si también es llamada MOSFET aunque coincida con el MISFET. El MOSFET es muy usado en la fabricación de circuitos para microondas de alta escala de integración.
Los MOSFET pueden ser tanto de canal n como de canal p. El MOSFET canal n consiste en un sustrato semiconductor tipo p levemente dopado, en la cuál dos secciones tipo n+ altamente dopados difunden como se muestra en la figura.
Esas secciones tipo n+ que actúan como fuente (Source) y drenador (Drain) se encuentran separadas cerca de 0.5 m m (0.5-6 m). Una delgada capa de aislante de Dióxido de Silicio (SiO2) es colocada sobre la superficie de la estructura. El contacto metálico en el aislante es llamado compuerta (Gate). El polisilicón altamente dopado o una combinación de Siliciuro y polisilicón también pueden ser usados como el electrodo de compuerta.
El funcionamiento de este dispositivo consiste en que cuando no se aplica ningún voltaje a la compuerta (Gate) de un MOSFET de canal tipo n, las conexiones entre el electrodo de la fuente (Source) y el electrodo del drenador (Drain) quedan interrumpidos, es decir, no circula corriente. Cuando se aplica un voltaje positivo (con respecto a la fuente) a la compuerta, las cargas positivas son depositadas en el metal de la compuerta, como consecuencia las cargas negativas es inducida en el semiconductor tipo p a la región del aislante semiconductor.
Hay cuatro modos básicos d operación para los MOSFET's de canal n y de canal p y son los siguientes:
- Modo de enriquecimiento del canal (Normalmente OFF). Cuando el voltaje de compuerta es cero, la conductancia del canal es muy baja y este no conduce, es decir, se necesita un voltaje positivo para que el canal entre en conducción.
- Modo de vaciamiento del canal n (Normalmente ON). Si existe equilibrio en el canal, un voltaje negativo debe ser aplicado a la compuerta para extraer los portadores del canal.
- Modo de enriquecimiento del canal p (Normalmente OFF). Un voltaje negativo debe ser aplicado a la compuerta para inducir a que el canal conduzca.
- Modo de vaciamiento del canal p (Normalmente ON). Un voltaje positivo debe ser aplicado a la compuerta para extraer los portadores del canal y aislarlo.
El MOSFET es frecuentemente usado como amplificador de potencia ya que ofrecen dos ventajas sobre los MESFET's y los JFET's y ellas son:
- En la región activa de un MOSFET en modo de enriquecimiento, la capacitancia de entrada y la trasconductancia es casi independiente del voltaje de la compuerta y la capacitancia de salida es independiente del voltaje del drenador. Este puede proveer una potencia de amplificación muy lineal.
- El rango de voltaje activo de la compuerta puede ser mayor porque los MOSFET's de canal n en modo de vaciamiento pueden operar desde la región de modo de vaciamiento (-Vg) a la región de modo de enriquecimiento (+Vg).
Capacitancia en el MOSFET:
Dos capacitancias son importantes en un conmutador de encendido-apagado con MOSFET. Éstas son Cgs entre Gate y la fuente y Cgd entre Gate y drenaje. Cada valor de capacitancia es una función no lineal del voltaje. El valor para Cgs tiene solamente una variación
pequeña, pero en Cgd, cuando uDG haya pasado a través de cero, es muy significativa. Cualquier desprecio de estas variaciones crea un error substancial en la carga que es requerida en Gate que es necesaria para estabilizar una condición dada de operación.
Encendido
En la mayoría de los circuitos con MOSFET, el objetivo es encenderlo tan rápido como sea posible para minimizar las pérdidas por conmutación. Para lograrlo, el circuito manejador del gatillo debe ser capaz de alimentar la suficiente corriente para incrementar rápidamente el voltaje de gatillo al valor requerido.
Apagado
Para apagar el MOSFET, el voltaje gate-fuente debe reducirse en acción inversa como fue hecho para encenderlo. La secuencia particular de la corriente y el voltaje depende de los arreglos del circuito externo.
Área segura de operación
El área segura de operación de el MOSFET está limitada por tres variables que forman los límites de una operación aceptable. Estos límites son:
1. Corriente máxima pulsante de drenaje
2. Voltaje máximo drenaje-fuente
3. Temperatura máxima de unión.
Pérdidas del MOSFET
Las pérdidas de potencia del MOSFET son un factor tomado en cuenta para la selección de un dispositivo de conmutación. La elección no es sencilla, pues no puede decirse que el MOSFET tenga menores o mayores pérdidas que un BJT en un valor específico de corriente. Las pérdidas por conmutación en el encendido y apagado juegan un papel más importante en la selección. La frecuencia de conmutación es también muy importante.
Esquema y Teoría de Operación del Puente-H con MOSFETs:
Este puente-H usa MOSFETs por una razón primordial - mejorar la eficiencia del puente. Cuando se usaban transistores BJT(transistores convencionales), éstos presentaban al activarse un voltaje de saturación de aproximadamente 1V entre Emisor-Colector. La fuente de alimentación era de 10V y estaba consumiendo 2V a través de los dos transistores necesarios para controlar la dirección del motor. Se probaron darlingtons etc... nada funcionó. Los transistores se calentaban demasiado - y no había sitio para ventilación.Se escogieron los MOSFETs porque tienen un resistor llamado RDS(on) que actúa al poner el transistor en funcionamiento. El RDS (on) es la resistencia entre Fuente y Drenador que presenta el transistor al activarse. Es bastante fácil comprar MOSFETs que tengan RDS(on) de valores my bajos de menos de 0.1 ohm. Esto significaría que con 4 amps, el voltaje bajaría a 0.4V por MOSFET, una mejora sustancial. Los MOSFETs que se seleccionó tenían RDS(on) de valores inferiores a 0.04 ohms, lo que mejoró sustancialmente la eficiencia.
Realmente, cuando un MOSFET tiene un RDS(on) de valor bajo, presenta normalmente un valor de corriente elevado (típicamente del orden de 10-20 amps). Necesitabamos 4 amps de corriente continua y el MOSFET que escogí ofrece 25 amps. Naturalmente, cuanto más bajo es el valor del RDS(on), más caro es el MOSFET. BTW, ambos tipos de MOSFET están disponibles en encapsulado TO220.
Los MOSFET funcionan aplicando un voltaje a la Puerta. A éste tipo de fucionamiento se le llama transconductancia. Cuando se aplica un voltaje positivo mayor que el voltaje ubral de Puerta, el MOSFET se activa (Q4 y Q6 - canal-N solamente). Los de canal-P funcionan en modo inverso.
Es importante saber que además de ser extremadamente sensibles a la corriente estática, es importante tener en cuenta que si se deja la Puerta en circuito abierto (sin conectar) los transistores MOSFET se pueden autodestruir. La puerta es un dispositivo de alta impedancia (mas de 10megohms) y el ruido puede activar el MOSFET. Las resistencias R3, R4, R6, y R8 se han añadido a propósito para evitar la autodestrucción del MOSFET. Es muy importante montar primero estas resistencias antes de instalar el MOSFET. Después demontar estas resistencias, notarás que los MOSFET son dispositivos bastante estables. Además de forzar un determinado voltaje de Puerta para desactivar los MOSFETs, las resistencias añaden protección contra la corriente estática.
Los diodos D1, D2, D3, y D4 devuelven EMF desde el motor a la fuente de alimentación. Algunos MOSFET (de hecho lamayoría) se fabrican con estos diodos ya incorporados, con lo que puede ser que su instalación no sea necesaria.
Q1 y Q2 son transistores NPN que controlan el funcionamiento del motor.
Modo parado
Cuando A=0 y B=0, el motor está parado. R3 y R4 conectan las Puertas de Q3 y Q5 a un voltaje positivo respectivamente desactivando los MOSFETs.Modo inverso
Cuando A=0 y B=1 (+5V), el motor opera en modo inverso. Q1 se desactiva y Q3 se desactiva a consecuencia de R3. Q2 se activa a causa del voltaje en B. El colector de Q2 conecta la Puerta de Q5 con tierra. Esto activa Q5 (El canal-P necesita mayor voltaje -ve que la fuente para activarse). El lado -ve del motor aumentará a +12V. R5 aumentará la Puerta de Q4 a +11V o lo que es equivalente, activará Q4. La conexión el Drenador de Q4 con tierra fuerza la conexión del lado +ve del motor con tierra. R7 también está conectado al lado +ve del motor, lo que conecta la Puerta de Q6 con tierra asegurando su desactivación.El camino seguido por la corriente del motor va de +12V a tierra pasando por Q5, el contacto -ve, el contacto +ve, y Q4.Modo Normal
Cuando A=1 y B=0, el motor opera en modo normal. Q2 se desactiva y Q5 se activa debido a R4. Q1 se activa debido al voltaje en A y el Colector de Q1 va a tierra. Esto activa Q3 que eleva el voltaje del lado +ve del motor a +12V. R7 eleva el voltaje de la Puerta de Q6, activándolo. La presencia de R5 asegura la desactivación de Q4, cuando Q6 se desactiva. El camino seguido por la corriente del motor va de +12V a tierra pasando por Q3, el contacto +ve, el contacto -ve, y Q6.Modo NO PERMITIDO (o sólo permitido una vez)
Si A=1 y B=1, entonces todos los MOSFETs se activan, provocando un desgaste de la de la fuente de alimentación . No serecomienda. El LED tricolor permite probar el circuito sin conectar el motor. El color del LED será verde para una dirección y rojo para laotra. Prueba muy útil.Los motores provocan mucho ruido eléctrico a causa del movimiento de las astas mientras está en marcha, y enormes deltas eléctricas al parar, ponerse en marcha, y especialmente al cambiar de dirección. C1 y C2 intentan suprimir los deltas de ruido. Las deltas negativas se neutralizan al conectar D1 y D4 a tierra y a la fuente de alimentación, respectivamente. Z1 intenta cortar las deltas positivas.
Si es posible, intente mantener la fuente de alimentación del motor separada de la fuente de alimentación del resto del circuito, o bien utilize técnicas extremas de filtrado usando bobinas, diodos, y condensadores para filtrar el ruido del motor.
A continuacion se muestra el diagrama esquematico del circuito:
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