1. ¿Por qué el MOSFET de
enriquecimiento ha revolucionado la
industria de los ordenadores?
• Por su tensión umbral que es ideal para
emplearse como dispositivo de conmutación.
Cuando la tensión de puerta es mayor que la
tensión umbral, el dispositivo conduce. Esta
acción de corte-conducción es fundamental
en la construcción de circuitos para
ordenadores. Un ordenador común utiliza
millones de MOSFET de enriquecimiento
como conmutadores de conexión-desconexión
para procesar datos.
2. Inversor con carga pasiva
MOSFET de
enriquecimiento con
una carga pasiva.
La palabra pasiva se refiere a una resistencia
normal, como RD.
En este circuito, Vin puede ser alta o baja. Cuando
Vin está en nivel bajo, el MOSFET está en corte y Vout
es igual a la tensión de alimentación VDD.
3. Cuando Vin está en nivel alto, el MOSFET conduce y VDD
cae a un valor pequeño. Para que este circuito trabaje
de forma adecuada, la corriente de saturación ID(sat)
tiene que ser menor que I(on) cuando la tensión de
entrada es igual o mayor que VGS(on). Esto es
equivalente a decir que la resistencia en la zona óhmica
tiene que ser mucho menor que la resistencia pasiva
de drenador. Simbólicamente:
RDS(on) « R D
4. Este circuito se denomina inversor, ya que la
tensión de salida es de nivel opuesto a la de
entrada. Cuando la tensión de entrada está en
nivel alto, la tensión de salida está en nivel bajo.
Los circuitos de conmutación son menos
exigentes que los amplificadores. Lo único que se
requiere en los circuitos de conmutación es que
las tensiones de entrada y de salida se puedan
reconocer fácilmente, ya sea en nivel bajo o en
nivel alto.
5. Inversor con carga activa
Los circuitos integrados (CI) constan de miles de
transistores de tamaño microscópico, bipolares o MOS.
Los primeros circuitos integrados también incluían
resistencias de carga pasivas. Pero una resistencia de
carga pasiva tiene una gran desventaja: su tamaño es
mucho mayor que el de un MOSFET. Por ello, los
circuitos integrados con resistencias de carga pasivas
eran de mayor tamaño que los que se utilizan
actualmente. Alguien encontró una solución al
problema al inventar resistencias de carga activas.
Éstas redujeron el tamaño de los circuitos integrados,
lo que dio lugar a los ordenadores personales que
tenemos hoy día.
6. La idea fundamental fue eliminar las
resistencias de carga pasivas. ¿Pero cómo?
La Figura muestra el invento. Se
denomina inversor con carga activa.
El MOSFET inferior aún actúa
como un conmutador, pero el MOSFET superior actúa
como una resistencia de valor elevado. Observe que el
MOSFET superior tiene su puerta conectada a su
drenador. Por esta razón, se convierte en un dispositivo
de dos terminales con una resistencia activa de valor:
donde VDS(activa) e IDS(activa) son tensiones y corrientes en la zona activa.
7. Para que el circuito trabaje de forma
adecuada, la R del MOSFET superior debe ser
grande comparada con la RDs(on) del MOSFET
inferior. Por ejemplo, si el MOSFET superior
actúa igual que una RD
de 5 kΩ y el inferior igual que una RDS(on) de
667Ω, la tensión de salida será baja.
8. Al ser VGS =VDS, cada punto de trabajo de este
MOSFET tiene que estar en la curva de dos
terminales de la figura. Si se comprueba cada
punto de la curva de dos terminales, se verá
que VGS =VDS.
9. La curva de dos terminales de la figura
significa que el MOSFET superior actúa como
una resistencia de valor RD.
Este valor cambia ligeramente para los
diferentes puntos. Por ejemplo, en el punto
más alto mostrado en la figura, la curva tiene
ID =3 mA Y VDS =15 V.
10. El siguiente punto hacia abajo
Mediante un cálculo similar, el punto más bajo
donde ID =0,7 mA y VDS = 5 V, tiene una RD=7,2
kΩ.
Si el MOSFET inferior tiene las mismas
características de salida que el superior,
entonces tiene una RDS(on) de:
11. CMOS
Con el inversor de carga activa, la corriente de
drenador con salida baja es aproximadamente igual
para ID(SAT). Esto puede crear un problema en los
equipos que funcionan con baterías. Una forma de
reducir la corriente de drenador de un circuito digital
es con el MOS complementario (CMOS) que combina
MOSFET de canal n y de canal p.
Q1 es un MOSFET de canal p y Q2 es de canal n. Estos
dos dispositivos son complementarios; es decir, tienen
valores iguales y opuestos de VGS(th), VGS(on), ID(on), etc. El
circuito es similar a un amplificador en clase B porque
un MOSFET conduce mientras el otro está en corte.
12. Cuando un circuito CMOS se
Funcionamiento básico emplea en una aplicación de
conmutación, la tensión de
entrada puede ser alta (+VDD) o
baja (OV). Si la tensión de
entrada es alta, QI está en corte y
Q2 conduce. En este caso, el Q2
cortocircuitado lleva la tensión
de salida a masa. Por otro lado,
si la tensión de entrada es baja,
Q1 conduce y Q2 está en corte.
Ahora, el Ql cortocircuitado lleva
la tensión de salida hasta +VDD.
Como la tensión de salida está
invertida, el circuito se
denomina inversor CMOS.
13. Variación de la tensión de salida con la
de entrada
Cuando la tensión de
entrada es cero, la de salida
es alta. Cuando la tensión
de entrada es alta, la de
salida es baja. Entre estos
dos extremos hay un punto
de cruce donde la tensión
de entrada es igual a +V
En este punto, ambos
MOSFET tienen las mismas
resistencias y la tensión de
salida es igual a +VDD /2.
14. Consumo de potencia
La principal ventaja del CMOS es que su consumo de potencia es
extremadamente bajo. La corriente de drenador en el punto Q viene
determinada por el dispositivo que no conduce. Ya que la resistencia es del
orden de MΩs, el consumo de potencia en el punto Q(reposo) se aproxima a
cero.
El consumo de potencia se incrementa cuando la señal de entrada cambia de
baja a alta, y viceversa; a medio camino de la transición entre el nivel bajo y el
alto, o viceversa, ambos MOSFET están activos. Esto significa que la corriente
de drenador se incrementa temporalmente. Como esta transición es muy
rápida, sólo existe un pulso breve de corriente. Un dispositivo CMOS disipa
más potencia media cuando está en transición que cuando está en reposo.
Como los pulsos de corriente son muy cortos, la potencia media disipada es
muy baja en conmutación. De hecho, el consumo medio de potencia es tan
pequeño que los circuitos CMOS a menudo se usan para aplicaciones con
alimentación por baterías tales como calculadoras, relojes digitales y
dispositivos de ayuda a los sordos.
15. FET DE POTENCIA
El uso principal de los MOSFET de
enriquecimiento de baja potencia es en circuitos
integrados digitales. No sucede lo mismo para
aplicaciones de alta potencia, en cuyo caso el
MOSFET de enriquecimiento es un dispositivo
discreto ampliamente utilizado en aplicaciones
que controlan motores, lámparas, disqueteras,
impresoras, fuentes de alimentación, etc. En
estas aplicaciones, el MOSFET de
enriquecimiento se denomina FET de potencia.
16. Dispositivos discretos
Los fabricantes producen distintos tipos de dispositivos, tales como VMOS,
TMOS, hexFET, trench MOSFET y waveFET. Todos estos FET de potencia
emplean diferente geometría del canal para aumentar sus limitaciones
máximas. Estos dispositivos tienen limitaciones de corriente desde 1 A
hasta más de 200 A, y imitaciones de potencia desde 1 W a más de 500 W.
Nótese que VGS(on) es 10 V para todos estos dispositivos. Al ser físicamente
grandes, requieren valores altos de VGS(on) para asegurar el funcionamiento
en la zona óhmica. Como se puede observar, las limitaciones de potencia
son considerables, capaces de manejar aplicaciones pesadas como
control en automoción, iluminación y calefacción.
El análisis de un circuito FET de potencia es igual que para dispositivos de
pequeña señal. Cuando se excita con una tensión V05(on) =10 V, un FET de
potencia tiene una resistencia pequeña R una ID(sat) menor que ID(on)
cuando V0 5 =V D5 (On) en la zona óhmica. Como antes, 0 5 (on)
garantiza que el dispositivo está funcionando en la zona óhmica y actúa
como una pequeña resistencia.
17. • El FET de potencia a diferencia de los
transistores bipolares no tiene escape térmico,
y pueden ser conectados en paralelo.
18. FET de potencia como interfase
• Los circuitos integrados digitales son
dispositivos de baja potencia porque pueden
proporcionar sólo pequeñas corrientes de
carga. Si se desea usar la salida de un CI para
excitar una carga que necesita una gran
corriente, se puede emplear un FET de
potencia como interfase.
19. La salida del CI digital excita la puerta del FET de potencia.
Cuando la salida digital es alta, el FET de potencia es como
un interruptor cerrado. Cuando la salida digital es baja, el
FET de potencia es como un interruptor abierto. Una de las
aplicaciones más importantes de los FET de potencia
consiste en servir de interfase entre CI digitales (MOSFET y
CMOS de pequeña señal) y cargas de alta potencia.
20. • Cuando la salida del CMOS tiene valor alto, el FET de
potencia actúa como un interruptor cerrado. En este
caso, el arrollamiento del motor tiene una tensión de
12 V a su través y el eje gira. Cuando la salida del
CMOS es baja, el FET de potencia está abierto y el
motor para de girar.
21. Convertidores dc-ac
• Cuando hay un fallo repentino de
alimentación, los ordenadores dejan de
funcionar y se pueden perder datos de gran
valor. Una solución consiste en utilizar un
sistema de alimentación ininterrumpida (SAl).
Un SAl contien euna batería y un convertidor
dc-ac. La idea básica es ésta: cuando hay un
fallo de alimentación, la tensión de la batería
se convierte a una tensión alterna que
alimenta el ordenador.
22. Cuando la alimentación falla, se activan otros circuitos y
generan una onda cuadrada para excitar la puerta. Esta
onda conmuta el FET de potencia entre corte y activación.
Como aparece una onda cuadrada a través de los
arrollamientos del transformador, el arrollamiento
secundario puede proporcionar la tensión alterna necesaria
para mantener el ordenador funcionando.
23. Convertidores dc-dc
• Es un circuito que convierte una tensión
continua de entrada en otra tensión continua
de salida de valor mayor o menor. El FET de
potencia conmuta produciendo una onda
cuadrada a través del arrollamiento
secundario. El rectificador de media onda y el
filtro con condensador a la entrada producen,
entonces, la tensión de salida Vout
24. Usando diferentes relaciones de espiras
podemos obtener tensiones de salida que son
inferiores o superiores a Vino Para reducir el
rizado se puede usar un rectificador de onda
completa o un puente rectificador.