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guias:proteccion_contra_polaridad_inversa

Circuitos de protección contra polaridad inversa.

Por José M. Mariño.


En este artículo vamos a explicar el funcionamiento de los circuitos de protección contra polaridad inversa. La utilización de estos circuitos es altamente recomendable para evitar daños a nuestros proyectos por algo tan simple y tan tonto como conectar la alimentación al revés. El bajo coste de los componentes necesarios, frente al alto coste que puede suponer un error de este tipo, convierte en una buena costumbre (y muy rentable a veces) comenzar nuestros diseños con un circuito de protección contra polaridad inversa.

Si estamos montando un proyecto a base de placas ya montadas (un arduino por aquí, un ESP por allá), o en una breadboard donde no cuesta demasiado sustituir un componente dañado, puede que el simple coste económico (bajo) que supone equivocarse de polaridad nos haga prescindir de uno de estos circuitos. Al fin y al cabo, si nos equivocamos y se nos funde algo, es fácil de sustituir y el coste puede no ser muy elevado.

Pero si estamos realizando un diseño de nuestra propia PCB, resulta muy aconsejable incluir este tipo de circuitos. Y no sólo eso, sino que la protección contra polaridad inversa no debe ser la única medida de robustez ante errores de conexionado, siendo recomendable complementarla con otras (conectores no reversibles para la conexión de baterías, etc…). Es preferible que no tengamos que esperar a tener que sustituir todos los integrados de una PCB (sobre todo si son SMD) para darnos cuenta de la importancia de ello.

Así que sin más, vamos al lío.

1.- Descripción y funcionamiento del circuito de protección.

En la siguiente figura podemos observar en qué consiste y cómo funciona el circuito de protección.

Para explicar el funcionamiento del circuito, recordemos antes cómo funciona un MOSFET:

  • Los MOSFET son dispositivos en los que la corriente que circula entre fuente (source) y drenador (drain) depende de la tensión aplicada entre la puerta (gate) y la fuente (source).
  • Los MOSFET son dispositivos controlados por tensión. Esto quiere decir que por la puerta no circula corriente (vamos a olvidarnos de las capacidades parásitas, que no vienen a cuento y sólo son importantes en alta frecuencia).
  • Los MOSFET de canal N conducen cuando aplicamos a la puerta una tensión más positiva que a la fuente.
  • Los MOSFET de canal P conducen cuando aplicamos a la puerta una tensión más negativa que a la fuente.
  • La tensión puerta-fuente debe superar un valor umbral (VGSth) para que el MOSFET comience a conducir. Esto es, no es suficiente con aplicar tensión positiva (canal N) o negativa (canal P), sino que además debe superar un valor mínimo por debajo del cual el MOSFET sigue sin conducir.
  • Los MOSFET, por construcción, poseen un diodo intrínseco entre drenador y fuente. En los de canal N el drenador es el cátodo del diodo, mientras que en los de canal P es el ánodo. Este diodo lo podemos ver representado formando parte del símbolo del MOSFET.

Ahora vamos con nuestro circuito. Tengamos presente que el MOSFET que usaremos es uno de canal P. Los MOSFET de canal P siempre resultan contraintuitivos a la hora de entender su funcionamiento, porque no estamos acostumbrados a pensar en tensiones negativas para excitar un transistor. Algo parecido a lo que ocurre con los BJT's, en los que se entiende mejor su funcionamiento con un NPN que con un PNP. Es una cuestión de hábito, nada más.

1.1.- CIRCUITO DE PROTECCIÓN EN FUNCIONAMIENTO NORMAL.

Atentos a la figura de la izquierda. En dicha figura, hemos conectado correctamente la batería. El circuito que pretendemos alimentar está representado por la resistencia RLOAD.

Olvidémonos del MOSFET por un momento, y fijémonos solamente en su diodo intrínseco. Podemos ver fácilmente que con la polaridad correcta, el diodo intrínseco se encuentra directamente polarizado y comenzará a conducir. Por lo tanto, en un primer momento podríamos asumir que la tensión en la carga será la tensión de la batería menos la caída de tensión en el diodo (unos 0,7V aprox.).

Asumiendo que el MOSFET va a conducir sí o sí porque su diodo intrínseco está en conducción, vamos a ver qué ocurre ahora con la tensión de puerta y de fuente:

  • La puerta está conectada a través de una resistencia al negativo de la batería (que será nuestra referencia de tensión).
  • Dado que por la puerta no circula corriente, en la resistencia de puerta no hay ninguna caída de tensión, y la tensión en la puerta será también de 0 V.
  • La fuente del MOSFET está conectada a la carga, y la tensión en la carga será igual a la tensión de la batería menos la caída de tensión que se produce en el diodo intrínseco.
  • Por lo tanto, la tensión de la puerta respecto de la fuente es negativa. El MOSFET estará por lo tanto en estado de conducción.
  • Asumiendo que las condiciones son las adecuadas (porque se diseña para ello), el MOSFET estará trabajando en la zona óhmica. Como hemos seleccionado un MOSFET adecuado, su resistencia RDS(on) será muy baja, de tan sólo unas decenas de miliohmios.

Todo lo anterior implica que en realidad lo que ocurre es que el MOSFET cortocircuitará a su diodo intrínseco. Es decir, que la caída entre los terminales del MOSFET no serán los 0.7 V de caída típica en un diodo, sino que será igual a la corriente de carga multiplicada por la resistencia del MOSFET. Hemos dicho antes que esta resistencia es muy baja, con lo que la caída de tensión en el MOSFET será también muy baja. Y esta es la gran ventaja de la protección con MOSFET respecto a poner un simple diodo.

1.2.- CIRCUITO DE PROTECCIÓN EN MODO PROTECCIÓN (valga la rebuznancia).

Supongamos ahora que metemos la pata y conectamos la batería al revés. Es decir, que hemos montado un circuito como el de la figura de la derecha.

El diodo intrínseco queda polarizado inversamente, con lo cual no conduce y podemos olvidarnos de él.

Para analizar el funcionamiento del circuito, vamos a hacerlo bajo dos suposiciones: que el MOSFET conduzca, o que no lo haga.

Supongamos que el MOSFET conduce:

  • La tensión en la carga será negativa. El positivo será ahora nuestra referencia de tensiones.
  • No sabemos cómo de grande será la caída de tensión en el MOSFET, pero lo que sí sabemos es que si el MOSFET conduce, la tensión en la carga será negativa porque la batería está al revés.
  • La tensión en la puerta será de 0 V, por la misma razón expuesta en el caso anterior.
  • La puerta estará entonces a una tensión más positiva que la puerta.
  • Peeeero, el MOSFET es de canal P. Es incompatible suponer que el MOSFET conduce, y que la tensión de puerta sea positiva respecto a la fuente.
  • Por lo tanto, la hipótesis inicial es incorrecta, y en realidad EL MOSFET NO CONDUCE.

Ahora hagamos la suposición de que el MOSFET no conduce:

  • La caída de tensión en la carga será nula, dado que la intensidad que la atraviesa también lo es.
  • La tensión de fuente será por lo tanto, 0 V.
  • La tensión de puerta es también cero, por las razones ya comentadas.
  • La diferencia de tensión entre puerta y fuente será, por todo lo anterior, de 0 V.
  • Dado que la tensión puerta-fuente no excede la tensión de umbral necesaria, el MOSFET no conduce.
  • La conclusión corrobora la hipótesis inicial.

1.3.- CRITERIOS DE DISEÑO.

Ahora vamos a dar unas líneas generales que debemos tener en cuenta a la hora de diseñar nuestro circuito de protección. Básicamente, debemos limitarnos a elegir bien el MOSFET.

Lo primero que debemos tener en cuenta son cosas obvias:

  • Deberemos elegir un MOSFET cuya tensión máxima drenador-fuente (VDS) sea superior a la tensión de trabajo de nuestro circuito.
  • Deberemos elegir un MOSFET cuya intensidad máxima drenador-fuente (IDS) sea superior a la intensidad que va a consumir el circuito al que queremos proteger.
  • Deberemos elegir un MOSFET cuya resistencia RDS(on) sea lo suficientemente baja para que, teniendo en cuenta la intensidad que va a consumir nuestro circuito, no provoque una excesiva caída de tensión.
  • Por supuesto, no debemos exceder la potencia máxima que pueda disipar el MOSFET. El análisis térmico también es necesario para saber si debemos añadir un disipador.

Y en segundo lugar debemos tener en cuenta una cosa que no es tan obvia:

  • Deberemos elegir un MOSFET cuya tensión de umbral de puerta VGSth sea lo suficientemente baja para garantizar que el MOSFET entra en conducción en la zona óhmica.
  • Esto es importante sobre todo si estamos diseñando un circuito que trabaje a una tensión baja.
  • Los MOSFET de uso general tienen una tensión de umbral que es excesivamente alta comparada con los niveles de tensión que manejan los circuitos digitales (5V, 3V3).
  • Afortunadamente hay familias de MOSFET expresamente diseñadas para estos casos, en los que un circuito digital trabajando a 5V ó 3.3V puede activar perfectamente el MOSFET.
  • Así como debemos asegurar que la tensión del trabajo hará entrar en conducción al MOSFET adecuadamente, debemos también proteger la puerta de una tensión excesiva, si fuese necesario.

En este tipo de circuitos, la resistencia de puerta RGATE tan solo tiene como función mantener polarizada la puerta. La puerta del MOSFET podría ir conectada directamente al negativo de la batería, pero eso a veces provoca oscilaciones en el MOSFET durante las conmutaciones debido a las capacidades parásitas de puerta, y por eso se le añade una resistencia para limitar la velocidad de conmutación. Con un valor de 100K o similar funcionará perfectamente. Si se tratase de un circuito donde el MOSFET estuviese conmutando continuamente a altas frecuencias, el cálculo de la resistencia de puerta tendría más importancia. Pero para un circuito de protección donde el MOSFET conmuta una sola vez al conectar la alimentación, no merece la pena profundizar en este apartado.

1.4.- EJEMPLO DE DISEÑO: FQP47P06

Veamos un ejemplo con un MOSFET en concreto, el FQP47P06.

El FQP47P06 es un MOSFET con una baja RDS(on), de tan solo unas decenas de miliohmios. Además, la tensión umbral de puerta oscila entre -2V y -4V. La intensidad máxima que soporta es de 47A, y la tensión máxima es de 60V.

Aquí podemos ver las características de encendido que da el fabricante:

Fijémonos también en que el fabricante, aunque nos dice que la tensión umbral de puerta es de -2V..-4V, los valores de la RDS(on) nos los da bajo la condición de una tensión puerta-fuente VGS=-10V. Es decir, que el MOSFET está fabricado para usar una tensión de puerta de -10V, o similar, si queremos obtener la baja resistencia que anuncia el fabricante para este modelo de MOSFET.

Esta es la gráfica de IDS frente a VDS. Esta gráfica nos muestra la curva característica de caída de tensión en el MOSFET en función de la intensidad que lo atraviesa. Y además, como el estado de conducción del MOSFET depende de la tensión de puerta, nos da varias gráficas para varios valores de VGS.

En esta gráfica podemos distinguir la zona óhmica, que es la zona superior/izquierda donde las líneas son más rectas y están más juntas. En esta zona, el MOSFET trabaja como una resistencia. En la zona derecha del gráfico tenemos la zona de saturación, en la que la intensidad varía poco a pesar de que la tensión varíe mucho. En esta zona, el MOSFET se comporta como una fuente de corriente (casi) constante.

Queremos que nuestro MOSFET trabaje en la zona óhmica, esto es, queremos que el MOSFET no introduzca ningún comportamiento no lineal en el circuito. Además de eso, queremos que la caída de tensión sea la menor posible.

Supongamos ahora que queremos usar ese MOSFET en un circuito de protección, con una tensión de alimentación de 20V y un consumo en la carga de 20A.

Esta es la gráfica anterior, pero con la recta de carga para una tensión de funcionamiento de 20V y una intensidad de consumo de 20A:

¿Cómo establecemos la recta de carga? Es muy sencillo: Sabemos que la tensión de la batería de nuestro circuito se va a repartir entre el MOSFET y la resistencia de carga. No sabemos en qué punto va a trabajar nuestro circuito, pero sabemos que:

  • Si la caída de tensión en el MOSFET es cero, significa que toda la tensión va a la carga. Y la intensidad en este caso será los 20A que consume nuestra carga.
  • Si el MOSFET no conduce y la intensidad es cero, en la carga no habrá tensión y por lo tanto toda la tensión de nuestra batería la tendremos entre los bornes del MOSFET.

Con esto tenemos dos puntos límite de trabajo del MOSFET:

  • VDS = 0V, IDS = 20A
  • VDS = 20V, IDS = 0A

Y con estos puntos podemos trazar la recta roja que se ve en la gráfica. Los puntos de esta recta son los que cumplen la ecuación:

VDS + IDS * RLOAD = 20V

Sea cual sea el punto en que va a trabajar nuestro MOSFET, estará en esta recta.

Estamos asumiendo que nuestro circuito alimenta a una resistencia (en este caso concreto de 1Ω), cosa que casi nunca será cierto. Pero esa asunción vale para calcular el punto de trabajo con los valores máximos que nos hayamos planteado. Si el MOSFET funciona bien con el consumo máximo que hayamos considerado, también lo hará con consumos inferiores.

Una vez establecida la recta de carga, tenemos que ver en qué puntos se intersecta con las diferentes curvas características del MOSFET (cada una de las curvas corresponde a una tensión de puerta en concreto):

  • El punto A sería el punto de trabajo del MOSFET si polarizamos la puerta con VGS = -4.5V
  • El punto B sería el punto de trabajo del MOSFET si polarizamos la puerta con VGS = -5.0V
  • El punto C sería el punto de trabajo del MOSFET si polarizamos la puerta con VGS = -5.5V

Como podemos apreciar, a medida que aumentamos la tensión puerta-fuente (sin olvidar que es negativa respecto a la fuente), el MOSFET se vuelve más conductor, por lo que la intensidad aumenta y la tensión drenador-fuente disminuye.

Ahora bien, llegados a este punto debemos indicar que hemos cometido un par de errores:

  • Las curvas del fabricante están representadas bajo escalas logarítmicas, y nosotros hemos dibujado nuestra recta de carga como si los ejes estuviesen graduados linealmente. Esto es incorrecto (pero necesitaba explicar cómo se dibuja una recta de carga). Debemos adecuar la recta de carga a la escala logarítmica.
  • El fabricante no nos está dando las gráficas con los ejes centrado en el cero, sino que la tensión más pequeña es de 0.1V (10-1), y la intensidad más pequeña es de 0.5A. Y sin embargo, hemos dibujado la recta de carga como si los ejes estuviesen en el cero. A pesar de que en este caso concreto el error cometido es leve, no debemos hacerlo así en nuestros diseños.

Esta es la gráfica anterior, con la “recta” de carga dibujada según la escala logarítmica (bueno, en realidad está hecha más o menos a ojo, pero con espíritu logarítmico X-P). Para dibujar la recta de carga en la escala logarítmica, basta con hacerse una tabla de valores, dando varios valores a VDS y calculando la IDS (o viceversa) en la fórmula anterior. Luego tendremos que calcular los logaritmos de estos valores, y representarlos en la gráfica, que también utiliza una graduación logarítmica. Evidentemente, ahora nuestra recta de carga ya no será tan recta:

Analicemos ahora qué tal se comportaría nuestro MOSFET con diferentes tensiones de puerta:

  • Para VGS = -4.5V, tenemos una IDS de entre 2A y 3A, más cerca del 3. VDS estaría todavía cerca de los 20V. En esta zona de la gráfica podemos ver mejor los valores de intensidad que los de tensión, así que utilizaremos los de intensidad y calcularemos los de tensión. Si hacemos los cálculos con 3A, la tensión en la carga sería de 3V, y por tanto VDS = 17V. No podemos negar que el MOSFET ha comenzado a conducir, pero desde luego no es el punto de trabajo que nos interesa. Estamos claramente en la zona de saturación, y la potencia disipada por el MOSFET sería inasumible (3A * 17V = 51W).
  • Para VGS = -5.0V, tenemos una IDS de casi 8A. Con IDS = 8A tenemos VDS = 20V - 8A * 1Ω = 2V. Podemos decir ya claramente que el MOSFET conduce, pero tampoco hemos llegado a la zona óhmica.
  • Para VGS = -5.5V, tenemos una VDS de 3V (ahora tomaremos de la gráfica los valores de VDS porque tenemos más precisión que en los de intensidad). Para una VDS de 3V, IDS = 17A. Podemos decir ya que estamos cerca de la zona óhmica.
  • Para VGS = -6.0V, tenemos VDS = 0.6V e IDS = 19.4A. Eso da una RDS(on) = 30.9mΩ.
  • Para VGS = -7.0V, tenemos VDS = 0,47V (así, a ojo) e IDS = 19.53A. RDS(on) = 24mΩ.
  • Para VGS = -8.0V, tenemos VDS = 0,43V e IDS = 19.57A. RDS(on) = 21.9mΩ.
  • Para VGS = -10.0V, tenemos VDS = 0.4V e IDS = 19.6A. Si calculamos la RDS(on) nos sale 0.4/19.6 = 20.4mΩ. Para ser una gráfica hecha a ojo, lo hemos clavado con los datos del fabricante…

Como podemos observar, a partir de una VGS de -6V nuestro MOSFET se encuentra ya claramente en la zona óhmica. Dado que nuestro circuito de ejemplo trabaja a 20V, la tensión de puerta en modo de funcionamiento normal será de -20V (realmente será ligeramente menor, debido a la caída de tensión entre drenador y fuente), lo que excede de sobra la tensión necesaria para que el MOSFET entre en la zona óhmica.

Podemos decir entonces que el MOSFET que hemos escogido es válido para nuestro diseño.

Obviamente, estamos dando por hecho que también cumple el resto de parámetros de diseño, como potencia disipada, valores de tensión e intensidad máximos, etc. Eso también es necesario comprobarlo, pero en esta guía nos estamos centrando en cómo comprobar si nuestro MOSFET trabajará en la zona correcta.

Para este ejemplo concreto, además, debemos tener cuidado de que la tensión de puerta no exceda el valor máximo indicado por el fabricante, que en el caso del FQP47P06 es de 25V. Aunque no pasaría nada por hacerlo funcionar a 20V, sería recomendable incorporar un circuito de protección de puerta, que veremos más adelante. Sí, sí, habéis leído bien, vamos a implementar un circuito de protección para el circuito de protección. EL METACIRCUITO DE METAPROTECCIÓN.

Vamos a ver ahora un caso en el que nuestro circuito funciona a 10V y consume 2A. La “recta” de carga sería la siguiente:

En este caso, para una tensión de puerta VGS = -4.5V, obtenemos una caída de tensión VDS de entre 0.4V y 0.5V. Algo perfectamente válido, aunque no óptimo. Como nuestro circuito trabaja a 10V, el punto de corte se escapa de la gráfica (recordemos que los ejes no están centrados en el cero), pero podemos estar seguros de que el punto obtenido para -10V será mejor que el de -4.5V. Por lo tanto, para cargas modestas, el FQP47P06 es un MOSFET válido para implementar nuestros circuitos de protección aunque las tensiones de alimentación sean bajas.

Existe otra circunstancia que juega a nuestro favor cuando diseñamos una protección para circuitos que funcionen a tensiones bajas:

  • Por regla general, nuestros circuitos llevarán un regulador de tensión para alimentarlos.
  • La entrada de este regulador recibe una tensión que siempre es más alta (si el regulador es lineal) que la tensión de salida que luego alimenta el resto del circuito.
  • Es decir, que si nuestros integrados funcionan a 5V, seguramente a la entrada de nuestro regulador tendremos unos 6-7V, quizás más.
  • Nuestro circuito de protección funcionará bajo esta tensión de entrada de 6-7V, no bajo los 5V de salida.
  • Y a mayor tensión de funcionamiento del circuito de protección, mejores condiciones para asegurar el correcto encendido del MOSFET.

Como ya hemos comentado antes, existen familias de MOSFET diseñadas específicamente para trabajar con niveles lógicos como tensión de puerta. Si queremos diseñar un circuito de protección para que funcione bajo tensiones realmente bajas, entonces no tenemos más remedio que acudir a estas familias.

Tomemos por ejemplo el IRLML6402. Este MOSFET de canal P soporta una tensión máxima de 20V, y una intensidad de 3.7A. Su RDS(on) es de 50mΩ para una tensión de puerta de -4.5V, pero ya con tensiones de puerta tan bajas como -2.5V obtenemos valores de RDS(on) de 80mΩ.

En las gráficas que nos da el fabricante, ya ni siquiera se molestan en dibujar la zona para pequeñas corrientes, y la gráfica de IDS tiene su eje situado en IDS=1A:

Otro MOSFET que es capaz de entrar en conducción con tensiones de puerta bajas es el NTF6P02. Aquí vemos un ejemplo para un circuito alimentado con una batería LiPo 1S (3.7V) y que consume 3A:

Como se puede ver en la gráfica (OJO, que ahora la gráfica es lineal y por lo tanto la recta de carga es una recta de verdad), entramos en la zona óhmica con tensiones de puerta tan bajas como -1.6V.

2.- PROTECCIÓN DE PUERTA.

En nuestro primer ejemplo comentábamos que la tensión de puerta con la que iba a trabajar nuestro MOSFET era más que suficiente para su encendido (-20V frente a los -10V necesarios). De hecho, esa tensión de puerta se encontraba cerca de los valores máximos que da el fabricante para VGS (-25V como máximo).

No hay razón para trabajar tan cerca de la tensión máxima si no hay motivos para ello, por lo que en este caso sería aconsejable incorporar un circuito que evite que la tensión de puerta sea tan grande.

Podemos limitar fácilmente la tensión puerta-fuente en un MOSFET con un sencillo diodo Zener como en el esquema siguiente:

En este circuito, la tensión de puerta nunca superará el valor de tensión del diodo Zener, sea cual sea la tensión de la batería, ya que el Zener entrará en conducción inversa manteniendo la tensión entre sus bornes constante.

Debemos elegir el diodo Zener con una tensión adecuada a la tensión de puerta que queremos obtener. Por ejemplo, si la tensión de alimentación es de 20V y la tensión de puerta del MOSFET debe ser de -10V, usaremos un diodo Zener de una tensión normalizada cercana al valor deseado. En este caso, tenemos diodos Zener de justamente 10V, así que ese sería el valor escogido.

Para la resistencia de puerta deberemos escoger un valor que permita al zener conducir en polarización inversa. El valor de RGATE debe ser tal que la corriente que la atraviese sea superior a la intensidad mínima del Zener (pero no superior a la máxima, claro). Si entre los terminales del Zener vamos a tener 10V, en la resistencia de puerta tendremos los otros 10V que faltan (para una tensión de alimentación de 20V), conocidos estos 10V y sabiendo cuál es la intensidad mínima del Zener (que lo sabremos una vez escojamos el modelo), ya podremos saber qué resistencia debemos utilizar.

Vamos a verlo con números, para entenderlo mejor.

Tomemos un Zener corriente y moliente, de la serie 1N. Para 10V, tenemos el 1N4740A.

En las características de este diodo tenemos:

  • IZK = 0.25 mA
  • PMAX = 1 W
  • IZT = 25 mA

IZK, la corriente de codo (o de rodilla, o como queramos llamarla), es de 0.25 mA. Es decir, que cuando el Zener está cerca de entrar en conducción inversa, la corriente es de 0.25 mA. Podríamos tomar este valor como corriente mínima, aunque en este punto seguramente la tensión todavía no haya alcanzado los 10V nominales. Esta corriente marca el punto en el que el Zéner comienza a entrar en conducción un inversa.

IZT es la corriente de test que ha usado el fabricante en sus ensayos.

Aunque no nos dicen directamente cuál es la corriente máxima del Zener, sabemos que puede disipar 1W como máximo, así que haciendo números tenemos IZM = 1W/10V = 100mA. En realidad la corriente máxima será algo menor que este valor porque la curva del Zener no es completamente vertical, sino que la tensión va aumentando ligeramente a medida que aumenta la intensidad. Pero para hacernos una idea nos vale.

La finalidad del Zener es simplemente limitar la tensión de puerta. Por la puerta no circula corriente, así que por el Zener va a circular siempre la misma corriente (eso simplifica el cálculo).

Podemos fijar una intensidad de trabajo de 25mA, la misma que ha usado el fabricante en sus pruebas. Pero tampoco tenemos por qué gastar energía de nuestra batería a lo tonto. Imaginemos que estamos usando una LiPo de 250mA. En ese caso, utilizar una corriente de trabajo para el Zener de 25mA haría que en 10 horas agotásemos nuestra batería, solo para mantener la corriente del Zener. Excesivo a todas luces.

En realidad, este caso es un poco irreal, porque si usamos una LiPo pequeña, la tensión normalmente también será pequeña, y entonces no necesitaríamos el Zener de protección. Pero que nos valga el ejemplo para tener presente que siempre hay que tener en mente todos los aspectos a la hora de diseñar un circuito.

Como hemos comentado antes, la intensidad mínima, en el codo de la curva característica donde el Zéner comienza a conducir, es de 0.25mA. Si fijamos una corriente de trabajo del Zener de 1mA, va que arde.

Si vamos a hacer trabajar el Zener a 1 mA, entonces la corriente que atravesará la resistencia de puerta RGATE será también de 1mA (recordemos que por la puerta no circula corriente).

En la resistencia de puerta vamos a tener una tensión igual a la tensión de la batería, menos la tensión que cae en el Zener, por lo tanto tendríamos 20V - 10V = 10V.

Finalmente, nuestra resistencia de puerta debe tener un valor tal que teniendo 10V de caída de tensión, circule por ella una intensidad de 1mA, o lo que es lo mismo, 10V/1mA = 10KΩ.

Hemos escogido un Zener de propósito general, pero si por la razón que fuese tuviésemos que ahorrar cada miliamperio que sale de nuestra batería, hay muchos modelos de Zener diseñados para corrientes mucho más bajas.

Por ejemplo, para el DDZ9697 el fabricante indica una IZT de 50μA, y si consultamos sus gráficas (para este modelo sí que encontramos gráficas), vemos que entra en conducción inversa con corrientes tan bajas como 0.1μA.

Usando el DDZ9697 con una intensidad de 10μA, nuestra resistencia de puerta tendría que ser de 10V/10μA=1MΩ. Podríamos dejar la resistencia de 100K que teníamos cuando no usábamos Zener, en cuyo caso la intensidad sería de 10V/100K=0.1mA, y el DDZ9697 seguiría trabajando correctamente (puede disipar hasta 0.5W).

3.- ¿PODEMOS USAR MOSFET DE CANAL N?

Pues bien, sí que podemos usar MOSFET de canal N, faltaría más. Evidentemente el circuito cambia de topología aunque sigue siendo similar. En lugar de colocar el MOSFET en el positivo de la batería, tendríamos que colocarlo en el negativo, con la puerta conectada al positivo a través de una resistencia.

Nos quedaría algo tal que así (figura de la izquierda):

Es recomendable usar MOSFET de canal N? Pues depende.

El uso de MOSFET de canal N es perfectamente válido, siempre que tengamos en cuenta lo que estamos haciendo.

Lo primero que debemos tener en cuenta es que tendremos una resistencia entre nuestra línea de masa (0 V) y el negativo de la batería, por lo que es importante saber las implicaciones que eso tiene.

Cualquier variación en la intensidad que circule por nuestro circuito, supondrá que la caída de tensión en el MOSFET de protección también oscilará. Por lo tanto, si el consumo no es fijo (que raramente lo es) y por la razón que sea hay una componente alterna en la corriente demandada por nuestro circuito, en el MOSFET de protección tendremos una caída de tensión que tendrá una componente continua pero también una componente alterna. Esta componente alterna puede hacer que aparezcan ruidos o efectos indeseados en algunas partes de nuestro circuito (véase amplificadores). Sobre todo si nuestro circuito protegido se va a conectar a otros circuitos y sus masas van a estar conectadas.

Una opción es olvidarnos de lo que hay entre el MOSFET y el negativo de la batería, y asumir que la masa de nuestro circuito está en el punto marcado en la figura de la derecha. Cualquier entrada de señal externa la conectaríamos tomando como referencia de masa a este punto, en lugar de al negativo de la batería. Al tener todo referenciado a ese punto, estaríamos evitando la caída de tensión del MOSFET, y por lo tanto evitando también el ruido de su rizado.

Pero ojo, esto nos obligaría a olvidarnos completamente, y a todos los efectos, de conectar nada más a esa batería. Si usásemos esa misma batería para alimentar otros circuitos sin pasar por el MOSFET de protección, e intentásemos interconectar esos circuitos a nuestro circuito protegido, estaríamos estableciendo un bypass de facto a nuestro MOSFET.

4.- ESPERA, ESPERA... ME ACABO DE DAR CUENTA DE UNA COSA.

Si habéis llegado hasta aquí, enhorabuena. Ya tenéis el cielo ganado.

Si además habéis sido observadores, os habréis dado cuenta de que durante todo este ladrillo que os he soltado, hemos estado conectando los MOSFET al revés.

¿Eh, pero cómo que al revés? ¿Está todo mal? ¿La explicación no vale para nada?

En un MOSFET de canal P, la corriente IDS toma valores negativos. Consultad las especificaciones de cualquier MOSFET-P y lo veréis. Eso quiere decir que la corriente entra por la fuente y sale por el drenador (tomando el sentido convencional de la corriente que va de positivo a negativo).

Si os fijáis, en todos nuestros circuitos hemos conectado el drenador del MOSFET-P al positivo de la batería, y la fuente a la carga. Es decir, que en nuestros circuitos la corriente del MOSFET-P circula al revés, entrando por el drenador y saliendo por la fuente hacia la carga.

Para el caso del MOSFET-N también lo hemos colocado al revés. En un MOSFET-N la corriente IDS es positiva, es decir entra por el drenador y sale por la fuente, mientras que en nuestro esquema entra por la fuente y sale por el drenador.

Es cierto, lo habéis puesto al revés de como suele ponerse. ¿Por qué?

La razón es que si colocásemos el MOSFET respetando su uso habitual, con la fuente al positivo de la batería y el drenador conectado a la carga, el diodo intrínseco que hay en todos los MOSFET nos mandaría el invento al garete. El secreto es que el diodo intrínseco esté polarizado directamente en el uso normal, y que se bloquee en el modo de protección. Eso solo es posible usando el MOSFET al revés. Si usásemos el MOSFET como $DEITY manda, el circuito de protección no serviría de nada porque al conectar la alimentación al revés, el diodo intrínseco comenzaría a conducir, y nuestro querido circuito empezaría a perder su humo mágico.

Pe.. Pero… ¿Se puede hacer esa salvajada que estáis haciendo?

Pues sí. Constructivamente, un MOSFET no es más que un canal resistivo simétrico. En un MOSFET-P, tenemos dos zonas P en medio de un sustrato N, entre las cuales se establece un canal de portadores P que van de una zona a otra. Da igual hacia qué lado vaya la corriente, porque la estructura del semiconductor es la misma si la recorremos en un sentido o en el contrario. Puede no ser totalmente simétrica y que la zona de dopado de la fuente no sea del mismo tamaño que la del drenador, o cosas así. Pero básicamente da igual ir de la fuente al drenador que del drenador a la fuente.

Es algo parecido a lo que ocurre con un BJT. Un NPN es un NPN lo mires por donde lo mires. Podríamos intercambiar el emisor y el colector, y más o menos el BJT seguiría funcionando. No exactamente igual porque en los BJT's sí que hay diferencias constructivas importantes entre el emisor y el colector, pero seguiría comportándose como un transistor al fin y al cabo.

Pues bien, en los MOSFET no hay tantas diferencias cuando los usamos al revés. Aunque hemos diseñado nuestro circuito usando gráficas que asumen que el MOSFET se utilizará del modo habitual, podemos tener una seguridad razonablemente alta de que el MOSFET se comportará igual a pesar de haber intercambiado el uso de la fuente y el drenador.

Y hasta aquí hemos llegado. Que no se os queme ningún circuito más, o tendréis que véroslas conmigo.

guias/proteccion_contra_polaridad_inversa.txt · Última modificación: 2018/10/03 11:14 por Jose Manuel Mariño Mariño