Cómo seleccionar un MOSFET para circuitos lógicos o diseños de compuertas

Los transistores de efecto de campo de la variedad de MOS (semiconductor de metal-óxido) o MOSFET son el semiconductor de preferencia para aplicaciones de conmutación comunes de voltaje alto y corriente alta impulsadas por voltaje. Se han vuelto mucho más populares que sus antecesores impulsados por corriente, los BJT (transistores de unión bipolar). En el lado opuesto de la gama de la conmutación, los MOSFET de nivel lógico prevalecen en la construcción de procesadores y de otros dispositivos de señal débil ya que, en gran parte, presentan una mayor eficiencia y una capacidad de conmutación de alta velocidad.

El funcionamiento interno de los MOSFET se diferencia claramente del funcionamiento de los BJT en lo que respecta a la configuración, aunque se siguen utilizando uniones N y P con canales de enriquecimiento o agotamiento en los que ocurre la conductividad. Para obtener una explicación sobre la construcción y el funcionamiento de los MOSFET en general, revise el artículo de DigiKey en eewiki.

Hay muchos proyectos de tableros de prueba de microcontroladores o proyectos de PCB (placa de circuito impreso) que especifican la lógica TTL (lógica transistor a transistor) mediante la utilización de transistores BJT, como los populares 2N3904 (NPN) o 2N3906 (PNP). De hecho, funcionan bien con o sin la polarización previa de la base, pero son menos eficientes y, en algunos casos, tienen un tiempo de respuesta más lento que sus equivalentes, los CMOS (semiconductores de metal-óxido complementario).

Ya sea con una lógica de 3.3 V o 5 V, hay valores umbral entre estos voltajes y la tierra que determinan qué es lógicamente alto o bajo. También es necesario un rango de voltajes entre el alto y el bajo que actúe como un búfer, a menudo conocido como una región “ilegal”, que garantiza que el punto de inflexión entre un voltaje alto firme y un voltaje bajo firme no sea muy abrupto, lo que podría ocasionar una salida impredecible (Figura 1).

Parámetros que se deben considerar al seleccionar un MOSFET de canal N de nivel lógico

Voltaje umbral de la compuerta a la fuente - Vgs(th)(min) y Vgs(th)(max): El voltaje de la compuerta en el valor umbral mínimo o por debajo de este valor apaga el MOSFET. Los voltajes de la compuerta comunes mínimos para una lógica de 5 V pueden situarse entre 0.5 V y 1 V. Los voltajes de la compuerta por encima del valor umbral máximo encienden el MOSFET. Los voltajes umbral de la compuerta entre el valor mínimo y el máximo podrían encender o apagar el MOSFET y deben evitarse. Observe cómo los valores mínimos y máximos apenas coinciden con la región ilegal en la Figura 1.

Figura 1

Resistencia en conducción del drenaje a la fuente - Rds(on): Cuando se enciende, hay una resistencia entre el drenaje y la fuente que disminuye mientras que el voltaje de la compuerta a la fuente o el Vgs aumenta. Elija un MOSFET cuyos valores de Rds(on) más bajos ocurran dentro del valor de alto voltaje lógico ideal o cerca de este valor y no disminuyan substancialmente a medida que aumenten los valores del Vgs. Ver Figura 2.

Figura 2

Ejemplo: De acuerdo con la hoja de datos, un MOSFET IRLZ44 de Infineon tiene 25 mΩ de resistencia del drenaje a la fuente a 5 V, 35 mΩ a 4 V y 22 mΩ a 10 V. A 5 V, el valor de su Rds(on) es solo 3 mΩ más alto que el valor a 10 V, pero es 10 mΩ más bajo que el valor de Rds(on) a 4 V, por lo que es una buena opción en cuanto a la Rds(on).

Figura 3

Capacitancia de entrada - Ciss: La combinación de la compuerta, la capa de óxido y la conexión del cuerpo de un MOSFET actúan como un pequeño condensador que se comienza a cargar cuando el voltaje está presente en la compuerta. Se necesita tiempo para que se cargue, lo que produce un retraso para que se produzca el estado activo. Elija un MOSFET con la menor capacitancia de entrada posible para evitar retrasos prolongados y para minimizar las corrientes de entrada que pueden ser muy altas al inicio, pero disminuir a medida que el condensador se carga. Idealmente, el retraso para que se produzca el estado activo es muy corto, pero puede crear una sobretensión lo suficientemente potente para dañar un pin de entrada y salida que tiene una capacidad de aprovisionamiento de corriente limitada.

Una resistencia que limita la corriente entre el pin y la compuerta evita un consumo de corriente excesivo del pin de entrada y salida.

Cuando se utiliza un MOSFET conectado directamente a un pin de salida del microcontrolador, la compuerta del MOSFET se debe jalar hacia arriba o hacia abajo, según sea necesario, mediante la utilización de una resistencia externa para evitar la lógica de compuerta flotante y una salida no deseada desde el MOSFET durante los arranques y reinicios del MCU (microcontrolador).

Los parámetros anteriores conforman los principios básicos al momento de seleccionar un MOSFET para circuitos lógicos o diseños de compuertas que pueden ajustarse con consideraciones adicionales a la disipación del calor y otros parámetros de rendimiento. No tenga miedo de probar los MOSFET en su próximo diseño de proyecto.