¿Qué es el transistor MOSFET y cómo usarlo con Arduino?

¿Qué es un MOSFET y cómo funciona?

MOSFET significa transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido metálico. Es un tipo especial de transistor de efecto de campo (FET).

A diferencia del BJT que es «controlado por corriente», el MOSFET es un dispositivo controlado por voltaje. El MOSFET tiene terminales de «puerta», «drenaje» y «fuente» (Gate, drain, source) en lugar de los terminales de «base», «colector» y «emisor» en un transistor bipolar. Aplicando voltaje en la compuerta, genera un campo eléctrico para controlar el flujo de corriente a través del canal entre el drenaje y la fuente, y no hay flujo de corriente desde la compuerta hacia el MOSFET. Un MOSFET puede ser pensado como una resistencia variable, donde la diferencia de voltaje de la fuente de la puerta puede controlar la resistencia de la fuente de drenaje. Cuando no hay aplicación de voltaje entre la fuente de puerta, la resistencia de la fuente de drenaje es muy alta, que es casi como un circuito abierto, por lo que no puede fluir corriente a través de la fuente de drenaje. Cuando se aplica la diferencia de potencial de la Fuente de compuerta, la resistencia de la Fuente de drenaje se reduce y habrá corriente que fluye a través de la Fuente de drenaje, que ahora es un circuito cerrado.

En resumen, un FET es controlado por el voltaje de la Fuente de Puerta aplicado (que regula el campo eléctrico a través de un canal), como pellizcar o abrir una pajita y detener o permitir que la corriente fluya. Debido a esta propiedad, las FETs son excelentes para un gran flujo de corriente, y el MOSFET se usa comúnmente como un interruptor.

Vale, veamos en resumen las diferencias entre BJT y MOSFET.

• A diferencia de los transistores bipolares, el MOSFET es controlado por voltaje. Mientras que el BJT es controlado por corriente, la resistencia base necesita ser calculada cuidadosamente según la cantidad de corriente que se conmuta. No es así con un MOSFET. Sólo aplica suficiente voltaje a la puerta y el interruptor funciona.
• Debido a que son controlados por voltaje, los MOSFET tienen una impedancia de entrada muy alta, por lo que casi cualquier cosa puede impulsarlos.
• El MOSFET tiene una alta impedancia de entrada.

¿Dónde poner la carga en un MOSFET? ¿Fuente o drenaje?

Porque la carga tiene resistencia, que es básicamente un resitor. Para el MOSFET del canal N la razón por la que normalmente ponemos la carga en el lado del Drenaje es porque la Fuente está normalmente conectada a GND.

Si la carga está conectada en el lado de la fuente, los Vgs necesitarán ser más altos para poder cambiar el MOSFET, o habrá un flujo de corriente insuficiente entre la fuente y el desagüe de lo esperado.

¿Fundidor de calor conectado al Drenaje?

¡Típicamente el disipador de calor en la parte trasera de un MOSFET está conectado al Desagüe! Si montas varios MOSFETs en un disipador de calor, ¡deben ser aislados eléctricamente del disipador de calor! Es una buena práctica aislarlos en caso de que el disipador de calor esté atornillado a un marco de conexión a tierra.

¿Para qué sirve el diodo corporal?

Los MOSFETs también tienen un diodo interno que puede permitir que la corriente fluya involuntariamente. El diodo corporal también limitará la velocidad de conmutación. No tienes que preocuparte por eso si estás operando bajo 1Mhz.

Tipos de MOSFET y funciones

Hay dos clases de MOSFETS: el modo de agotamiento y el modo de mejora. Cada clase está disponible como canal n o canal p, contando hasta cuatro tipos de MOSFETs en total.

Aquí está su explicación, junto con el principio de funcionamiento:

Modo de Agotamiento:

• El modo de agotamiento tiende a ser referido como un interruptor normalmente cerrado
• Establece que cuando no hay voltaje aplicado en la puerta, la conductancia del canal está al máximo
• Cuando se aplica voltaje en la puerta, la conductividad del dispositivo disminuye

Modo de mejora:

• El modo de mejora tiende a ser referido como un interruptor normalmente abierto, donde para que ocurra la conductancia, se necesita voltaje para pasar.
• Cuando no hay voltaje aplicado en la puerta, no hay conductividad…
• Cuando se aplica voltaje en la puerta, la conductividad del dispositivo aumenta

N-Channel MOSFET:

• El desagüe y la fuente están dopados con n+ impureza mientras que el sustrato es de tipo p
• La corriente fluye a través del canal P MOSFET
• Cuando se aplica un voltaje positivo en la puerta, los electrones de la fuente n+ y de la región de drenaje son atraídos hacia ella, formando un canal de alcance de electrones

P-Channel MOSFET:

• A diferencia del canal N, el desagüe y la fuente están dopados con impureza p+ mientras que el sustrato es de tipo n
• La corriente fluye a través del canal P MOSFET
• Cuando un voltaje negativo es manzana en la puerta, los electrones debajo del óxido de azufre responden al flujo de corriente y son empujados hacia abajo en el sustrato

Para resumir lo que he pasado antes, aquí hay una ilustración de los respectivos símbolos de transistores MOSFET con el principio de funcionamiento:

¿Para qué se usa el MOSFET?

Anteriormente, hemos visto que el MOSFET se utiliza para conmutar o amplificar los voltajes en los circuitos, sin embargo, ¿cuáles son algunas aplicaciones en la vida real?

• Control automático de la intensidad de la luz de la calle
• Emparejado con el microcontrolador para construir un sistema que controla las luces automáticamente a través de los respectivos pulsos de reloj
• Aplicaciones controladas por radio como barcos, helicópteros y aviones no tripulados
• Control del par motor y de la velocidad
• Entornos de control industrial y robótica

Esencialmente, las aplicaciones del MOSFET se pueden encontrar en varios proyectos eléctricos y electrónicos que se pueden construir fácilmente hoy en día con un microcontrolador.

Usando MOSFET con Arduino

Anteriormente, hemos establecido que el MOSFET es parte de una familia de FET, lo que lo convierte en una gran opción para el control de grandes flujos de corriente. ¿Pero sabes que es el primer transistor compacto que podría ser miniaturizado para una amplia gama de usos?

Sí. Con la revolución en la tecnología electrónica, lentamente se abrió camino en módulos miniaturizados para usos de microcontroladores (por ejemplo, Arduino)

Uno de esos pequeños módulos es Grove – MOSFET, es un transistor MOSFET miniaturizado que te ayuda a controlar fácilmente un proyecto de alto voltaje con tu tablero de Arduino.

Sus características son:

• Dos terminales de tornillo a bordo; uno para la fuente de alimentación externa, mientras que el otro para el dispositivo que desea controlar con
• Control de voltaje de 5V – 15V

Gracias al sistema Grove también, podrás experimentar el plug and play a través de cables Grove, añadiendo o quitando fácilmente este transistor a tu proyecto electrónico.

Tutorial de Arduino con transistores MOSFET

Ahora que conocemos lo qué es un transistor MOSFET vamos a ver como usarlo con Arduino mediante un módulo, en este caso el Grove, valdría cualquier otra marca.

Para el tutorial, vamos a demostrar cómo se puede utilizar el Grove – MOSFET para controlar un motor. La energía se proporciona a través de una fuente de alimentación externa. Sin embargo, si tu dispositivo controlado necesita una corriente menor de 300mA, Arduino Uno es soportado sin energía extra
Se necesitan componentes de hardware:

• Arduino Uno
• Grove – Escudo de la base
• Grove – MOSFET

Este tutorial sigue siendo aplicable para los siguientes tableros de Arduino: Arduino UNO, Arduino Mega, Arduino Leonardo, Arduino 101, Arduino Due

Montaje de hardware:

1. Paso 1: Conectar Grove – MOSFET al puerto D6 de Grove – Base Shield
2. Paso 2: Conectar Grove – Base Shield en Arduino
3. Paso 3: Conectar Seeeduino a la PC a través de un cable USB

Debería verse algo así después de los pasos anteriores:

Sigue el siguiente esquema si piensas conectar los actuadores. Este módulo también acepta energía de 5V – 15V (menos de 2A de corriente).

Adjuntar los actuadores en la salida Vout

Configuraciones de software y código Arduino

Copiar el código de abajo en el IDE de Arduino y subirlo

// demo of Grove - MOSFET
// use  pwm pin 6 to control a motor

int motorPin = 6;

void setup()
{
    Serial.begin(38400);
    pinMode(motorPin, OUTPUT);
    Serial.println("Grove - MOSFET Test Demo!");
}

void loop()
{
    motorOnThenOffWithSpeed();
    motorAcceleration();
}

void motorOnThenOffWithSpeed()
{
    int onSpeed  = 200;                         // a number between 0 (stopped) and 255 (full speed)
    int onTime   = 2500;
    int offSpeed = 50;                          // a number between 0 (stopped) and 255 (full speed)
    int offTime  = 1000;
    analogWrite(motorPin, onSpeed);
    delay(onTime);
    analogWrite(motorPin, offSpeed);
    delay(offTime);
}

void motorAcceleration()
{
    int delayTime = 50;
    for(int i=0; i<256; i++)
    {
        analogWrite(motorPin, i);
        delay(delayTime);
    }

    for(int i=255; i>=0; i--)
    {
        analogWrite(motorPin, i);
        delay(delayTime);
    }
}