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2 de abril de 2016
El tutorial que traigo a continuación es una breve introducción a los transistores MOSFET y sus diferentes aplicaciones.
Como ejemplo práctico haremos un sketch para controlar el brillo y la frecuencia de encendido de una tira de leds.
Para ello utilizaremos una tarjeta que consta de un transistor MOSFET y su correspondiente driver.
Power Mosfet Driver
También se pueden controlar motores de CC, solenoides, ventiladores, frenos electromagnéticos...
Para entender mejor este tutorial voy a tratar de explicar brevemente cómo funciona un MOSFET y cuales son sus características.
Si queréis saber más, al final de la página hay varios enlaces a los principales fabricantes de semiconductores.
MOSFETS DE POTENCIA
MOSFETS DE POTENCIA
Introducción
Introducción
Los MOSFET de potencia se han convertido en la principal elección en dispositivos electrónicos de conmutación. Realizan la misma función que los transistores bipolares, con la diferencia de que los MOSFET se controlan por tensión y los dispositivos bipolares se controlan por corriente.
Las ventajas de los MOSFET frente a los BJTs son: baja potencia para la señal de puerta, alta velocidad de conmutación y elevada impedancia de entrada. Estas características hacen que los MOSFET se aproximen al “conmutador ideal” siendo el transistor más utilizado en la industria.
Funcionamiento
Funcionamiento
Considerando un MOSFET de canal N
Imagen cortesía de efxkits.us
Sin polarización eléctrica aplicada a la puerta G, no fluye corriente en ninguna dirección.
Cuando la puerta G está polarizada directamente con respecto a la fuente S junto con una tensión aplicada drenaje-fuente, se crea un canal que permite que los electrones fluyan desde el drenador a la fuente.
Este canal tiene una pequeña resistencia RDS(on) que determina la potencia disipada en conducción.
La fase de apagado de un MOSFET es instantánea, tan pronto como el voltaje de puerta desciende por debajo de su umbral VGS(th), éste se apaga.
La tensión umbral VGS (th) es la tensión mínima de puerta que inicia el flujo de corriente desde el drenador al surtidor. Los valores típicos de la tensión umbral son: 2-4V para dispositivos de potencia y 1-2V para dispositivos de baja de tensión.
Limitaciones
Limitaciones
El límite de uso de los MOSFETS viene impuesto por la tensión de ruptura. Cuanto más alta es la tensión de ruptura, más ancho debe ser el canal D-S, lo que implica un aumento de la RDS (on) y de las pérdidas por conducción, haciéndolos inviables.
En circuitos conmutados de hasta 200VDC los transistores MOSFET son los más utilizados, y aunque hay MOSFETs que soportan tensiones de hasta 1000V, en inversores de alta tensión y corriente, se suelen emplear IGBTs.
Body Diode
Body Diode
El diodo integrado es recomendable en circuitos que requieren un camino para la corriente inversa de fuga, tales como los circuitos de medio puente y puente completo, en aplicaciones de control de motores.
Gate Drive Circuits
Gate Drive Circuits
Dado que los MOSFET están esencialmente gobernados por voltaje, éstos pueden ser controlados directamente por circuitos lógicos CMOS o TTL en colector abierto.
También se pueden utilizar optoacopladores para controlar MOSFET de potencia, pero sus largos tiempos de conmutación los hacen adecuados sólo para aplicaciones de baja frecuencia.
Con Arduino se puede controlar directamente un circuito de transistores MOSFET, pero es muy recomendable intercalar un driver o un optoacoplador entre la salida de Arduino y la puerta del MOSFET, ya que en caso de fallo del MOSFET evitaremos dañar nuestra tarjeta Arduino.
Volvamos al módulo del que hablaba al principio del tutorial.
Como se aprecia en el esquema, la tarjeta consta de un CI UCC27324, un MOSFET de potencia y varios componentes discretos.
El circuito integrado UCC27324 es un driver para transistores MOSFET. Básicamente se encarga de convertir la señal PWM del Arduino en una tensión lo suficiente elevada como para disparar la puerta del MOSFET y hacer que entre en conducción.
Esquema
Esquema
He utilizado dos potenciómetros conectados en los pines A0 y A4 para controlar el brillo y la frecuencia de encendido / apagado de los leds.
Este módulo no necesita de los +5V del Arduino como es habitual en otras tarjetas, ya que el CI UCC27324 se alimenta de los +12V de la carga.
Únicamente conectamos el pin 11 del Arduino con el pin SIG del módulo y unimos las masas de ambos.
Sketch
Sketch
/*
Led Strip Brightness & Pulse Frequency Control
with MOSFET driver and Arduino
https://sites.google.com/site/angmuz
*/
int brightnessRead = 0;
int brightness = 0;
int pulseRead = 0;
int pulse = 0;
void setup()
{
pinMode(11, OUTPUT);
}
void loop()
{
pulseRead = analogRead(A4);
pulse = pulseRead*2;
brightnessRead = analogRead(A0);
brightness = brightnessRead/4;
analogWrite(11, brightness);
delay(pulse);
digitalWrite(11, LOW);
delay(pulse);
}
Un breve vídeo demostrativo.
El driver utilizado en el tutorial es muy sencillo de conectar y funciona bien para pequeñas cargas. Pero desde mi punto de vista tiene una limitación, y es que la alimentación externa sirve tanto para la carga como para el CI UCC27324, lo que impide conectar cargas de más de 13,5V que es lo máximo que soporta el CI.
Una solución es separar la alimentación del CI, de la alimentación de la carga. Para ello podemos usar los +5V del Arduino para alimentar el módulo a través del pin VCC del mismo, y por otro lado conectar la carga a la tensión correspondiente, 24, 48, 100 ó 200V, o lo que necesite.
El siguiente esquema refleja lo explicado anteriormente.
Estas modificaciones no se pueden hacer sobre el módulo, por lo que tendríamos que hacer una tarjeta nosotros mismos.
Para saber más, mira el Proyecto 31.2
Más información sobre Power MOSFETs en los siguientes enlaces o busca en google Power MOSFETS basics
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