Transistor Mosfet

Introducción
En este Tutorial se tiene como objetivo conocer un poco el transistor Mosfet (Metal-Oxide Semiconductor, Field Effect Transistor) el cual hablaremos de su funcionamiento sus características la manera en la que está construido las ventajas y las desventajas que tiene y las diferencias con el BJT y un tutorial del funcionamiento del mosfet con el Software proteus.  

Para que sirven un transistor mosfet IRF
Un transistor Mosfet tiene 3 patillas. El mosfet conduce corriente eléctrica entre dos de sus patillas cuando aplicamos tensión en la otra patilla. Es un interruptor que se activa por tensión.
Los mosfet se construyen sobre un semiconductor (tipo N o P) que se llama sustrato. Sobre este semiconductor se funden el sumidero y el drenaje (entrada y salida) que es un semiconductor contrario al semiconductor usado para el sustrato. En la primera imagen de abajo puedes ver el sustrato de tipo P y el drenador y la fuente de tipo N.

Características de mosfet IRF
En la siguiente tabla se pueden ver las características técnicas de algunos transistores mosfet que están en el mercado

caracteristicas IRF740 IRF9640 IRF840 IRF9540 IRF640 IRF9Z34 IRF3205 IRF4905 IRF540
Disipación total del dispositivo 125 W 125 W 125 W 125 W 125 W 75 W 150 W 150 W 150 W
Tensión drenaje-fuente 400 V 200 V 500 V 500 V 200 V 60 V 55 V 55 V 100 V
Tension compuerta-fuente 20 V 20 V 20 V 20 V 20 V 20 V 10 V 10 V 20 V
Corriente continua de drenaje 10 A 11 A 8 A 8 A 18 A 18 A 98 A 64 A 30 A
Temperatura operativa maxima 150 °C 150 °C 150 °C 150 °C 150 °C 175 °C 150 °C 150 °C 175 °C
Tension umbral compuerta-fuente 4 V 4 V 4 V 4 V 4 V 4 V 4 V 4 V 4 V
Carga de compuerta 63 nC 44 nC 63 nC 63 nC 55 nC 34 nC 146 nC 120 nC 72 nC
Conductancia de drenaje-sustrato 1450 pF 1200 pF   1500 pF 1500 pF 2100 pF …. …. …. 2100 pF
Resistencia drenaje-fuente 0.55 Ohm 0.5 Ohm 0.85 Ohm 0.85 Ohm 0.18 Ohm 0.14 Ohm 0.008 Ohm 0.02 Ohm 0.077 Ohm
Empaquetado / Estuche TO220 TO220 TO220 TO220 TO220 TO220 220AB TO220AB TO220
Pines 3 3 3 3 3 3 3 3 3

¿Cómo está construido un mosfet de canal N?
Los mosfet están fabricados por tres materiales semiconductores distintos 2 de ellos son del tipo N y uno de  ellos es de tipo P un material de tipo N es aquel que tiene un exceso de electrones es aquel dopado negativamente y un material tipo P es aquel que tiene una falta de electrones y por lo tanto un exceso de huecos se le llama huecos al lugar vacío que deja el electrón cuando no está y por lo tanto el material de tipo P esta dopado positivamente por una falta de electrones. Son de silicio que es un semiconductor el cual se ocupa para actuar como conductor o como dieléctrico dependiendo de condiciones externas.

A fuera de esta pastilla de silicio se encuentra una capa que recubre parte de la pastilla que está hecha de un material dieléctrico que es óxido de silicio este material dieléctrico impide el paso de la corriente eléctrica por encima de esta capa de material aislante se encuentra una capa de material conductor que es generalmente aluminio
Está compuesto por 4 terminales uno de ellos es el gate que se conecta a la capa del material conductor los otros 2 se conectan a los materiales tipo N que se denominan drive (drenador)  y source (fuente).
El último terminal es uno que se conecta a la capa de material tipo P que se denomina bari que generalmente está unido internamente al de source (fuente)

¿Qué es un canal N?
Se le conoce como canal N porque para que circulen los electrones entre drive (drenador)  y source (fuente) se formal un canal de electrones un canal Negativo cuando más grande sea la tensión que nosotros aplicamos en el Gate mayor será la cantidad de electrones que se traigan  hacia la zona mayor será el canal permitiendo así que circulen más la corriente. Sin embargo llega un momento en el que obviamente el canal no puede agrandarse más y no puede circular más corriente en este momento es cuando el mosfet ya está saturado y básicamente el flujo de corriente entre drain y source es controlado por una tensión proporcional en el terminal gate

Funcionamiento del transistor mosfet
El mosfet contra el paso de corriente eléctrica entra una terminal llamado fuente y el otro llamado drenador mediante la aplicación de una tensión eléctrica en una tercera terminal llamada puerta modificando la tensión eléctrica aplicada a la puerta aparece o desaparece un canal conductor que conecta o desconecta la fuente y el drenador permitiendo el cierre y la apertura del interruptor

¿Para qué se utiliza un mosfet?
Estos dispositivos se utilizan en la conmutación de cargas de alta velocidad, dado su tiempo de respuesta mínimo. Se utilizan para el control digital de cargas de mayor corriente y mayor voltaje que los valores nominales que puede soportar un micro controlador. Son muy buenos en la amplificación de señales analógicas, especialmente en aplicaciones de audio. Poseen múltiples funciones en diferentes tipos de aplicaciones en el mundo de la electrónica.

¿Dónde se utiliza un transistor mosfet?
Todos estos MOSFET de potencia están diseñados para aplicaciones como reguladores de conmutación, conmutación convertidores, controladores de motor, controladores de relé y controladores para alta transistores de conmutación bipolar de potencia que requieren alta velocidad y baja potencia de accionamiento de la puerta. Se pueden operar directamente desde circuitos integrados

Diferencia entre BJT y Mosfet
Son similares (mosfet y bjt) en funcionamiento pero son diferentes cuanto a estructura interna y su funcionamiento. Los bjt funcionan con señales de corriente, mientras que
los mosfet funcionan con señales de voltaje lo cual,  hace de los últimos la mejor herramienta para el control digital  

Ventajas de los mosfet frente a los BJT
Los transistores de efecto de campo como MOSFET se han utilizado durante décadas. Comprenden los transistores más comúnmente utilizados, que actualmente dominan el mercado de los circuitos integrados. Son portátiles, usan poca energía, no consumen corriente y son compatibles con la tecnología de procesamiento de silicio. Su falta de corriente de puerta da como resultado una alta impedancia de entrada. Una ventaja importante adicional de MOSFET sobre BJT es que forma la base de un circuito con interruptores de señales analógicas. Estos son útiles en los sistemas de adquisición de datos y permiten varias entradas de datos. Su capacidad de conmutación entre diferentes resistencias ayuda a la relación de atenuación o cambia la ganancia de los amplificadores operacionales. Los MOSFET forman la base de los dispositivos de memoria semiconductores, como los microprocesadores. 

Cómo usar un Mosfet
El mosfet IRF está diseñado para aplicaciones como reguladores de conmutación, convertidores de comunicación, controladores de motor, controladores de relé y controladores para conmutación bipolar de alta potencia transistores que requieren alta velocidad y baja potencia de accionamiento de puerta.
En esta ocasión lo usaremos el mosfet como interruptor de un motor de 24V con ayuda del software proteus 8

Material

Software

  • Proteus 8

Nota: Un MOSFET puede destruirse con cargas de estática eléctrica. Antes de agarrarlo, descarga la estática de tus manos tocando alguna tierra eléctrica cercana, tal como una tubería de agua fría. En dado caso que este circuito lo haga en físico

¿Cómo lo haremos?

Lo que se hará será realizar una simulación a través de Proteus, para demostrar cómo usar un mosfet IRF740 como interruptor en un motor

El 1( gate) se conecta al push botón y a la resistencia de 10k
El 2(drian) va conectado al motor de 24v
El 3(source) se conecta a tierra

Diagrama de conexión

Simulación en Proteus
En esta simulación se necesitaran los siguientes componentes que se encuentran en  el apartado de component mode – devices- P

Se utilizaran los siguientes componentes

  • Generators DC simula una fuente de 12v
  • 10WATT0R1           

Una vez que tengamos todos los componentes se empieza el ensamblaje del circuito como se puede ver en el diagrama de conexión  en la fuente de 12V se puede cambiar el voltaje que quieras ya sea 5V, 12V y 24V

El motor estará apagado hasta que presiones el push botón

Una vez que tengamos el diagrama listo se presiona el push botón para que el motor gire

El estudio del transistor MOSFET, requiere una mayor investigación, aquí, sólo he querido hacer hincapié en algunos conceptos más relevantes, y un pequeño circuito, sin entrar en demasiados detalles. Entiendo que los lectores, actualmente disponen de medios y lugares donde adquirir conocimientos más profundos si es de su interés. 

Referencias

Electrónica practica aplicada
Transistores
Arduino y mosfet

UNIT Electronics
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