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--- guias:proteccion_contra_polaridad_inversa [2018/10/02 22:51] – [1.4- EJEMPLO DE DISEÑO: FQP47P06] Jose Manuel Mariño Mariño
+++ guias:proteccion_contra_polaridad_inversa [2021/04/16 20:41] (actual) – editor externo 127.0.0.1
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 ====== 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.
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-===== 1.2- CIRCUITO DE PROTECCIÓN EN MODO PROTECCIÓN (valga la rebuznancia). =====
+===== 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.
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-===== 1.3- CRITERIOS DE DISEÑO. =====
+===== 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 tensión máxima drenador-fuente (**V<sub>DS</sub>**) 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 intensidad máxima drenador-fuente (**I<sub>DS</sub>**) 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.
+  * Deberemos elegir un MOSFET cuya resistencia **R<sub>DS(on)</sub>** 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 sea lo suficientemente baja para garantizar que el MOSFET entra en conducción en la zona óhmica.
+  * Deberemos elegir un MOSFET cuya tensión de umbral de puerta **V<sub>GSth</sub>** 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).
+  * 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.
+En este tipo de circuitos, la resistencia de puerta **R<sub>GATE</sub>** 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 =====
+===== 1.4.- EJEMPLO DE DISEÑO: FQP47P06 =====
 Veamos un ejemplo con un MOSFET en concreto, el FQP47P06.
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 Analicemos ahora qué tal se comportaría nuestro MOSFET con diferentes tensiones de puerta:
-  * Para **VG<sub>GS</sub>** = -4.5V, tenemos una **I<sub>DS</sub>** de entre 2A y 3A, más cerca del 3. **V<sub>DS</sub>** 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 **V<sub>DS</sub>** = 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 **V<sub>GS</sub>** = -4.5V, tenemos una **I<sub>DS</sub>** de entre 2A y 3A, más cerca del 3. **V<sub>DS</sub>** 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 **V<sub>DS</sub>** = 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 **V<sub>GS</sub>** = -5.0V, tenemos una **I<sub>DS</sub>** de casi 8A. Con **I<sub>DS</sub>** = 8A tenemos **V<sub>DS</sub>** = 20V - 8A * 1Ω = 2V. Podemos decir ya claramente que el MOSFET conduce, pero tampoco hemos llegado a la zona óhmica.
   * Para **V<sub>GS</sub>** = -5.5V, tenemos una **V<sub>DS</sub>** de 3V (ahora tomaremos de la gráfica los valores de **V<sub>DS</sub>** porque tenemos más precisión que en los de intensidad). Para una **V<sub>DS</sub>** de 3V, **I<sub>DS</sub>** = 17A. Podemos decir ya que estamos cerca de la zona óhmica.
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 Como podemos observar, a partir de una **V<sub>GS</sub>** 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 nuestro MOSFET es válido para nuestro diseño.
+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.
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-===== 2.- PROTECCION DE PUERTA. =====
+===== 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).
+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 **V<sub>GS</sub>** (-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.
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 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.
+Para la resistencia de puerta deberemos escoger un valor que permita al zener conducir en polarización inversa. El valor de **R<sub>GATE</sub>** 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.
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 En las características de este diodo tenemos:
-IZK = 0.25 mA
+  * **I<sub>ZK</sub>** = 0.25 mA
-Pmax = 1 W
+  * **P<sub>MAX</sub>** = 1 W
-IZT = 25 mA
+  * **I<sub>ZT</sub>** = 25 mA
+**I<sub>ZK</sub>**, 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.
-IZK, la corriente de rodilla, es de 0.25 mA. Es decir, que cuando el Zener está cerca de entrar en conducción, 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.
+**I<sub>ZT</sub>** es la corriente de test que ha usado el fabricante en sus ensayos.
-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 1 W 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.
+Aunque no nos dicen directamente cuál es la corriente máxima del Zener, sabemos que puede disipar 1W como máximo, así que haciendo números tenemos **I<sub>ZM</sub>** = 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 25 mA, 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.
+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 de rodilla (el codo que forma la gráfica en la zona en la que el Zener comienza a conducir) es de 0.25mA. Si fijamos una corriente de trabajo del Zener de 1mA, va que arde.
+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).
+Si vamos a hacer trabajar el Zener a 1 mA, entonces la corriente que atravesará la resistencia de puerta **R<sub>GATE</sub>** 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.
-Por lo tanto 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 = 10KOhm
+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 con corrientes tan bajas como 0.1μA.
+Por ejemplo, para el DDZ9697 el fabricante indica una **I<sub>ZT</sub>** 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=1MOhm.
+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 0.5W).
+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).
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 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 circuitos (véase amplificadores). Sobre todo si nuestro circuito protegido se va a conectar a otros circuitos y sus masas van a estar conectadas.
+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 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.
+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.
@@ Línea 303: / Línea 309: @@
 //¿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).
+En un MOSFET de canal P, la corriente **I<sub>DS</sub>** 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.
+Para el caso del MOSFET-N también lo hemos colocado al revés. En un MOSFET-N la corriente **I<sub>DS</sub>** 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. ¿Por qué?//
+//Es cierto, lo habéis puesto al revés de como suele ponerse. ¿Por qué?//
-La razón es que si colocásemos el MOSFET al revés, respetando su uso habitual, el diodo intrínseco que hay en todos los MOSFET nos mandaría el invento al garete.
+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.

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