Electrónica de Potencia - MOSFET. Conexiones y uso con Arduino.

Primero vamos a definir qué es un MOSFET. Un MOSFET es un dispositivo electrónico de tres pines semiconductor que se usa generalmente como conmutador de corriente y amplificador de señales.

Este dispositivo tiene una puerta llamada GATE, encargada de controlar el estado del MOSFET. Es un dispositivo controlado por tensión, por lo tanto, aplicando una cierta tensión en GATE, cambiaremos el estado del MOSFET.

Tiene otros dos pines denominados Drain (D) y Source (S).

Existen dos tipos de MOSFET, PNP (Canal P) y NPN (Canal N). 

Canal P (PNP)
Necesita una tensión negativa en GATE para accionarse o entrar en su zona de saturación, que es donde funciona como un interruptor.

Canal N (NPN)
Necesita una tensión positiva en GATE para accionarse o entrar en la zona de saturación. El voltaje debe de ser mayor que la tensión suministrada a DRAIN.

Nosotros vamos a centrarnos en uno de sus usos en electrónica de potencia, como conmutador.
Existen dos maneras de colocar un MOSFET, esta maneras hacen alusión a donde se conecta la carga resistiva que queremos controlar. El modelos de MOSFET que mas se usa es el NPN. Por ello vamos a centrarnos en NPN a partir de ahora.

Características relevantes de un MOSFET

Primero hay que saber ciertos datos que son muy importantes a la hora de configurar un MOSFET y son características que debemos buscar en la hoja de datos del MOSFET que ofrece el fabricante.

1. Resistencia DRAIN - SOURCE (RDS)
Es la resistencia que hay entre el pin DRAIN y SOURCE. Esta paqueña resistencia va a consumir un poco de la tensión Vcc que dispongamos ya que va a suponer un divisor de tension en conjunción con nuestra resistencia de carga RL.
Dependiendo de este valor conseguiremos mas o menos tensión en la carga, a tensiones muy bajas la diferencia no se nota demasiado, sin embargo a altas tensiones puede suponer una gran perdida de tensión en la carga y por tanto de potencia.

2. Threshold voltag (VGS(th) o VT)
Se define como el voltaje minimo de diferencia que debe haber entre Gate y Source para que el MOSFET se vuelva conductor.

Ecuaciones

Vamos a definir la ecuaciones fundamentales que debemos conocer para controlar un MOSFET.

Para poder activar nuestro MOSFET tenemos que aplicar una tensión en GATE, VG
Podemos calcular la corriente del circuito, ID, tal que

Y la tensión que cae en nuestra resistencia de carga la podemos descubrir con la ecuación de un divisor de tensión, que debido a la baja resistencia del MOSFET (RDS) podemos decir que la tensión en la resistencia de carga será casi Vcc

Circuitos excitadores de MOSFET (SPS)

Empezando por el menos común, ya que es mas difícil de controlar, está el denominado High-Side Switching. Como su nombre indica colocamos el MOSFET en la parte de arriba directamente.

Como hemos dicho el voltaje en la carga será aproximadamente Vcc, por lo tanto Vs es aproximadamente Vcc.

Vamos a resolver la ecuación para obtener la tensión necesaria en GATE para activar el MOSFET (VG) y tener en cuenta que tendremos un VT de uno 3V.



Vemos que necesitamos 15V para activar nuestro MOSFET en GATE para activarlo, lo que es bastante complicado conseguir si la tensión máxima de nuestro circuito es 12V. Por ello es una opción que apenas se elige, sin embargo en circuitos como inversores es necesario ese tipo de configuración y para ello se aplican circuitos especiales en la puerta que permiten activar el MOSFET en esta configuración.



Por otro lado podemos encontrar el circuito mas común, Low-Side Switching. En este colocamos la carga en la parte superior y el MOSFET conectado a tierra.


Igual que hemos hecho antes vamos a calcular la tensión necesaria que hay que aplicar en GATE para activar el MOSFET.

Sin embargo ahora nuestro VS ahora es 0V. Y los 12V de la carga ahora recaen en VD que no nos limita el fucionmiento del MOSFET.

Resolviendo la ecuación

Ahora si es mas fácil activar nuestro MOSFET, permitiendo así circular la corriente por la carga.






Control de MOSFET con Arduino

Vamos a elegir la configuración Low-Side Switching para controlar nuestro MOSFET con un Arduino. Por lo tanto conectaremos nuestro Arduino de la siguiente manera.


Una vez echas las conexiones el código es muy sencillo ya que es muy básico.
int mosfet_pin = 3;

void setup() {
  // Ponemos el pin del MOSFET como salida
  pinMode(mosfet_pin, OUTPUT);
}

// the loop function runs over and over again forever
void loop() {
  //Enciende el MOSFET
  digitalWrite(mosfet_pin, HIGH);
  delay(1000); //Delay de 1 segundo
  
  //Enciende el MOSFET
  digitalWrite(mosfet_pin, LOW);
  delay(1000); //Delay de 1 segundo
}

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