Los transistores de efecto de campo de metal-óxido y semiconductor (MOSFET) son muy utilizados para conmutar cargas. Sin embargo, no todos son aptos para ser controlados de manera directa con señales lógicas. En este artículo te cuento por qué.
Introducción
Los MOSFET pueden ser usados en aplicaciones lineales como amplificadores de audio, reguladores de voltaje o controladores de carga de baterías, por ejemplo, pero sin duda su aplicación mas común es la de conmutador.
Como conmutador, el MOSFET funciona como un interruptor, pudiendo tener sólo dos condiciones: ABIERTO (no pasa corriente) y CERRADO (pasa corriente).
Funcionando de esta forma lo puedes utilizar para controlar relés, lámparas o pequeños motores de CC, como ejemplos de aplicaciones de baja potencia o en fuentes conmutadas, control de motores, equipos inversores que generan CA a partir de CC o gestión de energía de vehículos eléctricos, dentro de las aplicaciones de potencia mas elevada.
Características
De manera sencilla, cuando un MOSFET funciona como interruptor trabaja alternadamente entre la zona de CORTE y la zona de SATURACIÓN.
La zona de CORTE se caracteriza porque no circula corriente de drenador (ID). Equivale a un interruptor abierto.
La zona de SATURACION se caracteriza porque la corriente de drenador (ID) no cambia con la tensión drenador-surtidor (VDS) pero sí con la tensión de compuerta (VGS).
En esta zona el transistor se comporta como una resistencia de pequeño valor (RDS ON). Equivale a un interruptor cerrado.
Adicionalmente, hay que tener en cuenta que para que el transistor comience a conducir, la tensión de compuerta VGS debe superar un valor mínimo llamado tension de umbral o VTH
Esto significa que para que un MOSFET funcione eficientemente como interruptor, es decir, sin disipar una potencia excesiva que lo dañe, debe trabajar sólo en esas dos zonas.
Para que el transistor esté en CORTE, debe tener entre su compuerta y el drenador una tensión inferior a VTH.
Para que el transistor esté SATURADO, la tensión entre la compuerta y el drenador debe ser superior a VTH, pero para que el transistor se sature correctamente y la RDSON sea lo suficientemente baja, hay que aplicar una tensión que dependerá del transistor.
Por estas razones, cuando vayas a utilizar un MOSFET en uno de tus proyectos, debes tener cuidado en su elección ya que debes hacer una diferenciación entre los MOSFET de uso general y los MOSFET “lógicos”.
MOSFET de uso general
Estos son los transistores que se usan habitualmente en circuitos analógicos donde hay tensiones de control de 10, 12 o 15 voltios.
Un ejemplo de este tipo de transistor es el conocido IRF520 un transistor de baja potencia de canal N que soporta una corriente de unos 10 amperes.
La característica de transferencia entre tensión de compuerta y corriente de drenador de este transistor tiene la siguiente forma (de una hoja de datos de la marca ST):
De esta imagen puedes extraer información muy interesante:
La tensión de umbral VTH para que el transistor empiece a conducir es de unos 3,5 Voltios (tipico 2.9 según la hoja de datos).
Con una VGS de 5V, no podrás lograr mas de 4 Amperes en la carga, mientras que este transistor tiene una capacidad para soportar hasta 10A.
Si tienes un circuito que entrega señales entre 0 y 5 Voltios como un Arduino probablemente no tengas problemas en superar VTH y poner a conducir el transistor, pero no lograrás que la corriente de drenador llegue a los 10 Amperes.
Y si tienes una placa que funciona a 3V, como un ESP32, la situación es aún peor y puede que ni siquiera puedas lograr que el transistor conduzca, ni hablar de hacer circular 10A.
MOSFET de niveles lógicos
Para ayudarte a lidiar con este problema de tensiones de control pequeñas, los fabricantes producen otras familias de transistores adaptados para trabajar en estas condiciones. Son los llamados “MOSFET de niveles lógicos” o “MOSFET lógicos”.
Un ejemplo de este tipo de transitor es el IRLZ44, que tiene una curva de transferencia como la que puedes ver a continuación:
Puedes apreciar que es muy diferente.
La tensión de umbral VTH a 25 grados es algo mas de 2V (2V máx según la hoja de datos). Con una tensión de compuerta de 3V ya puedes hacer que el transistor conduzca una corriente de aproximadamente 8 Amperes y con 5V lograrás los 35 Amperes máximos que soporta este transistor.
Como dice su hoja de datos, este MOSFET está adaptado para trabajar con tensiones mas pequeñas (y como puede que ya hayas adivinado, la “L” de IRLZ44 significa “Lógico”).
Otra diferencia es el valor de la RDS ON, la resistencia en estado de conducción, que en general depende de VGS
El IRLZ44 tiene un RDS ON de 28 mili Ohms con VGS de 5 Voltios, mientras que el IRF 520 tiene 23 mili Ohms pero a una tensión VGS de 10V. Esta resistencia aumenta al disminuir VGS y seguramente el IRF 520 tendrá una RDS ON mayor que la del IRLZ44 a 5V.
La potencia disipada por el transistor mientras está saturado se puede escribir como:
P = I_D^2 \cdot R_{DS ON}Así que mientras mayor sea RDS ON, mayor va a ser la potencia disipada y la pérdida de energía en el transistor, lo cual no es deseable.
Otro transistor adaptado a niveles lógicos es el IRL540.
Circuitos de control
El circuito de control o disparo de un MOSFET de niveles lógicos es muy simple si la frecuencia de conmutación es baja y puede ser como el siguiente:
RL es la carga. R1 limita la corriente suministrada por el pin de control. Si bien el MOSFET tiene una resistencia muy alta en la compuerta, también tiene una capacidad parásita que hay que cargar y descargar, así que conviene limitar la corriente para que no corras el riesgo de dañar el pin.
R2 ayuda en el apagado del transistor contribuyendo a remover la carga almacenada en esa capacidad parásita de la compuerta.
Si el MOSFET que utilizas no es de niveles lógicos, no se puede controlar directamente desde la GPIO de una placa, pero si indirectamente usando un transistor adicional:
En este circuito, el transistor Q2 adapta el nivel de señal de la salida GPIO al nivel necesario para saturar el MOSFET (VDD).
Módulos driver con MOSFET
En el mercado hay varios módulos que incluyen transistores MOSFET diseñados para conectarse a placas como el Arduino.
Algunos de ellos incluyen el IRF520, que tiene una tensión umbral elevada y (probablemente) no funcione correctamente con tensiones bajas como 3V, propias de placas como las que contienen el ESP8266, ESP32 o una Raspberry.
Además, como ya vimos, con 5V no lograrás hacer circular por el transistor (y por la carga) la corriente máxima que es de 10A sino unos 4A aproximadamente.
Si con este módulo vas a controlar una carga que no requiere de tanta corriente, como un pequeño motor, no hay problema, pero si necesitas mas corriente, no te servirá.
Otros módulos incluyen el transistor D4184 un MOSFET “lógico” que es mas apropiado para tensiones como 3V y que puedes aprovechar para controlar corrientes mayores.
Hojas de datos
Aquí puedes consultar las hojas de datos de los MOSFET mencionados:
Conclusiones
Los MOSFET se utilizan ampliamente como conmutadores en diversas aplicaciones, desde control de pequeños dispositivos hasta sistemas de alta potencia. Su eficiencia depende de su capacidad para operar en dos estados fundamentales: CORTE, donde no circula corriente, y SATURACIÓN, donde la corriente es constante.
La elección entre MOSFET comunes y de niveles lógicos es fundamental, ya que los primeros son óptimos para altas tensiones de control, mientras que los segundos son adecuados para tensiones más bajas, típicas en microcontroladores y placas de desarrollo modernas.
En la práctica, la elección correcta del MOSFET afecta directamente la eficiencia y funcionalidad del circuito, especialmente en términos de la resistencia en estado de conducción (RDS ON) y la disipación de potencia. Además, los circuitos de control para estos dispositivos varían según el tipo de MOSFET y la aplicación.
Los módulos driver con MOSFET comerciales facilitan su integración en proyectos electrónicos, pero requieren una selección cuidadosa acorde al voltaje de control y las necesidades de corriente de la carga.
Espero que esta información te sea de utilidad y la puedas aprovechar cuando necesites seleccionar un transistor MOSFET o un módulo en tu próximo proyecto.
Cualquier duda o sugerencia, puedes dejarla mas abajo en la sección de comentarios.