Como conectar un MOSFET de potencia a un microcontrolador

Este artículo es una copia exacta del blog de INVENTABLE, donde el autor Gabriel Rapetti realiza una gran labor divulgativa y posee artículos con circuitos didácticos que merecen la pena visitar.

Puedes visitar su blog en www.inventable.eu

En este artículo describo en modo simple y ejemplificado, la conexión de mosfet a microcontroladores u otros circuitos digitales para controlar motores, leds o cualquier dispositivo de potencia que trabaje con baja tensión continua (DC).

Los mosfet de potencia (power mosfet) son componentes electrónicos que nos permiten de controlar corrientes muy elevadas. Como en el caso del los mosfet comunes, tienen tres terminales de salida que se llaman: Drain, Source y Gate (D, S y G). La corriente principal pasa entre Source y Drain (I_SD) mientras que el control de esta corriente se obtiene aplicando una tensión sobre el terminal Gate (respecto al terminal Source), conocida como V_GS.

En condiciones de reposo, la corriente de Gate es prácticamente nula porque al interno del componente, el terminal Gate se encuentra conectado a una especie de capacitor. Por lo tanto circula corriente de Gate solo cuando cambiamos el nivel de tensión de entrada (cambio de estado lógico) y este es el motivo por el cual el consumo de los mosfet (como en el caso de todos los circuitos lógicos MOS) aumenta en proporción a la frecuencia de conmutación.

Existen "power mosfet" de dos tipos: los de canal N y los de canal P. La diferencia entre estos está en la polaridad de conexión Source-Drain y en el hecho que la tensión de Gate de los mosfet de canal P es negativa (las mismas diferencias que existen entre los transistores NPN y PNP).

En base a la aplicación, un mosfet de potencia puede trabajar en la "región lineal" o en "saturación". En los sistemas analógicos, como por ejemplo en las etapas de salida de los amplificadores de audio, los mosfet trabajan en la región lineal mientras que en los sistemas digitales, en los cuales se usan como interruptores digitales de potencia, estos trabajan en corte (OFF) o saturación (ON). En este artículo analizaremos solamente los mosfet usados como interruptores digitales.

Cuando un mosfet se encuentra en saturación, el valor de resistencia interno entre Source y Drain (Rsd) es muy bajo y por lo tanto, la disipación de potencia en él será poco significativa no obstante la corriente que lo atraviesa pueda ser muy elevada.

Para llevar un mosfet a la saturación, es necesario que la tensión de control en el terminal Gate sea suficientemente alta y esto podría ser un problema si usáramos directamente la baja tensión de salida de un microcontrolador. Me explico mejor con un ejemplo. Para saturar un transistor bipolar (tipo BC548) se necesita superar la tensión de umbral de la base que es solamente de 0,6V. Una tensión de control de 0,6V se pueden obtener con cualquier sistema digital alimentado con 5V, 3,3V y hasta 1,8V. Por el contrario, la tensión necesaria para poner en conducción un mosfet (llamada "tensión de umbral" o Vth) es mucho más elevada (algunos volts) y depende del modelo de mosfet. Es más, aunque si alcanzáramos este valor, no sería suficiente porque deberíamos salir de la región lineal de trabajo para llevarlo a la saturación. Si no fuera así, la conducción no sería plena y por lo tanto parte de la potencia se disiparía en el mosfet en forma de calor porque la potencia disipada por el mosfet es el resultado de la multiplicación entre la caída de tensión y la corriente que pasa por él (P_mosfet = V_sd * I_sd).

En el diseño podemos ver las curvas de conducción de un típico mosfet de canal N con distintas tensiones de Gate en las dos regiones de trabajo (región lineal a la izquierda del gráfico y saturación a la derecha). Como podemos observar, si quisiéramos obtener una corriente de salida máxima, la tensión de Gate (VGS) debería ser de 7,5V. Este valor varía en base al modelo de mosfet usado. Para resolver este problema existen dos posibilidades: usar un adaptador que aumente los niveles de salida del microcontrolador o conseguir un mosfet que trabaje con tensiones de Gate más bajas. Los mosfet con baja tensión de Gate son conocidos con el nombre de "logic level power mosfet" (mosfet de potencia para nivel lógico).

En el diseño podemos ver la curva de conducción de un mosfet "logic level" IRL530 (en verde) comparada con un clásico mosfet IRF530 (en azul). La línea vertical a rayas indica un nivel lógico de 4,75V (típico nivel de salida de un microcontrolador alimentado con 5V). Como podemos observar, la corriente de salida máxima con el IRF530 no supera los 2,6A no obstante este modelo sea en grado de entregar mucha más corriente mientras que el IRL530 supera ampliamente los 20A (plena conducción). Si nuestro microcontrolador trabajara con 3,3V el IRF530 no lograría ni siquiera entrar en conducción.

Por lo tanto, elegir un mosfet de tipo "logic level" es la mejor elección cuando trabajamos con circuitos digitales. En la figura podemos observar la conexión de un mosfet "logic level" a un microcontrolador para encender una tira de leds.

Como explicado al principio de este artículo, cuando cambia el nivel lógico de control, por un instante el mosfet absorbe una cierta corriente que carga el capacitor interno del terminal Gate. La resistencia de 4,7K sirve para limitar esta corriente inicial. Podríamos usar cualquier valor de resistencia pero un valor bajo permite la carga rápida de este capacitor y por lo tanto una conmutación más veloz del mosfet, útil si quisiéramos usar una regulación de potencia por impulsos (PWM). En este tipo de regulación, si la conmutación del mosfet fuera "lenta", este se encontraría por más tiempo en la zona lineal y por lo tanto aumentaría la disipación de potencia en él, especialmente si trabajamos con frecuencias elevadas. Una vez que el mosfet ha conmutado, el Gate no absorbe más corriente. Por lo tanto si pensamos de usar nuestro mosfet para simples encendidos y apagados, el valor de esta R puede ser de 10K. Por el contrario, si deseamos modular la potencia de salida a través de la modulación PWM, nos conviene un valor de resistencia de 4,7K, 3,3K o 1,2K inclusive. La mejor elección depende fundamentalmente de la frecuencia PWM.

La resistencia de 100K a masa sirve para definir un estado lógico preciso en el caso que el micro no lo hiciese como por ejemplo en la fase de inicialización del mismo.

Si tuviéramos la necesidad de conectar un mosfet no "logic level" a un circuito digital, podemos agregar un transistor que nos permita aumentar la tensión de control como podemos observar en la figura siguiente.

El principio de funcionamiento es muy simple. Cuando la salida del microcontrolador tiene un nivel lógico bajo (0 volt), el transistor no conduce y por lo tanto, su colector, que se encuentra conectado al Gate del mosfet tendrá un potencial positivo de 12V a través de la resistencia a positivo. Cuando la salida del microcontrolador pasa a nivel alto, (1,8V, 3,3V o 5V), el transistor conduce y lleva el Gate del mosfet a 0V, por lo tanto el mosfet deja de conducir. Como podrán observar, este circuito tiene el defecto que trabaja al contrario es decir, se activa cuando el nivel de salida del micro es bajo. No obstante esto, tiene la ventaja que la tensión de Gate alcanza l a tensión máxima de alimentación garantizando la completa saturación de cualquier tipo de mosfet que conectemos. El valor de la resistencia de gate conectada a positivo modifica la velocidad de conmutación del mosfet como explicado en el caso anterior. (valores altos para conmutaciones lentas y valores bajos para conmutaciones veloces (modulación PWM).

Si quisiéramos usar un mosfet común (no "logic level") con lógica de control no invertida, podemos cambiarlo por uno de canal P como se observa en la figura. Noten que la potencia de salida (en el ejemplo, la tira de leds) se conecta hacia masa (negativo) en lugar del positivo. El único problema que presenta esta última solución es no se puede usar si quisiéramos controlar una tira de leds RGB con 3 canales porque estas tiras, generalmente tienen el ánodo en común (positivo único) mientras que a nosotros nos serviría una tira RGB con cátodo común (negativo común). De cualquier manera, esta solución es muy útil en numerosos casos. Como en los otros ejemplos, el valor de la resistencia de gate conectada a positivo modifica la velocidad de conmutación del mosfet (valores altos para conmutaciones lentas y valores bajos para conmutaciones veloces (modulación PWM).