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TRANSISTORES MOSFET El transistor MOSFET, como veremos, está basado en la estructura MOS. En los MOSFET de enriquecimiento, una diferencia de tensión entre el electrodo de la Puerta y el substrato induce un canal conductor entre los os de Drenador y Surtidor, gracias al efecto de campo. El término enriquecimiento hace referencia al incremento de la conductividad eléctrica debido a un aumento de la cantidad de portadores de carga en la región correspondiente al canal, que también es conocida como la zona de inversión. LA ESTRUCTURA MOS. La estructura MOS esta compuesta de dos terminales y tres capas: Un Substrato de silicio, puro o poco dopado p o n, sobre el cual se genera una capa de Oxido de Silicio (SiO2) que, posee características dieléctricas o aislantes, lo que presenta una alta impedancia de entrada. Por último, sobre esta capa, se coloca una capa de Metal (Aluminio o polisilicio), que posee características conductoras. En la parte inferior se coloca un o óhmico, en o con la capsula, como se ve en la figura.

Estructura Mos La estructura MOS, actúa como un condensador de placas paralelas en el que G y B son las placas y el óxido, el aislante. De este modo, cuando VGB=0, la carga acumulada es cero y la distribución de portadores es aleatoria y se corresponde al estado de equilibrio en el semiconductor. Cuando VGB>0, aparece un campo eléctrico entre los terminales de Puerta y substrato. La región semiconductora p responde creando una región de empobrecimiento de +

cargas libres p (zona de deplexión), al igual que ocurriera en la región P de una unión PN cuando estaba polarizada negativamente. Esta región de iones negativos, se incrementa con V GB. Al llegar a la región de VGB, los iones presentes en la zona semiconductora de empobrecimiento, no pueden compensar el campo eléctrico y se provoca la -

acumulación de cargas negativas libres (e ) atraídos por el terminal positivo. Se dice entonces que la estructura ha pasado de estar en inversión débil a inversión fuerte. REGIONES DE OPERACIÓN. Cuando ya existe canal inducido y VDS va aumentando, el canal se contrae en el lado del Drenador, ya que la diferencia de potencial Puerta-canal es en ese punto, más baja y la zona de transición más ancha. Es decir, siempre que exista canal estaremos en región óhmica y el dispositivo presentará baja resistencia.

La operación de un transistor MOSFET se puede dividir en tres regiones de operación diferentes, dependiendo de las tensiones en sus terminales. Para un transistor MOSFET N de enriquecimiento se tienen las siguientes regiones: región de corte, región óhmica y región de saturación. Región de corte. El transistor estará en esta región, cuando VGS < Vt. En estas condiciones el transistor MOSFET, equivale eléctricamente a un circuito abierto, entre los terminales del Drenador-Surtidor. De acuerdo con el modelo básico del transistor, en esta región, el dispositivo se encuentra apagado. No hay conducción entre Drenador y Surtidor, de modo que el MOSFET se comporta como un interruptor abierto. Región óhmica. Cuando un MOSFET está polarizado en la región óhmica, el valor de RDS (on) viene dado por la expresión: VDS (on) = ID(on) x RDS(on) Así mismo, el transistor estará en la región óhmica, cuando VGS > Vt y VDS < ( VGS – Vt ). El MOSFET equivale a una resistencia variable conectada entre el Drenador y Surtidor. El valor de esta resistencia varía dependiendo del valor que tenga la tensión entre la Puerta y el Surtidor (VGS). Región de Saturación. El transistor MOSFET entra en esta zona de funcionamiento cuando la tensión entre el Drenador y el Surtidor (VDS) supera un valor fijo denominado tensión de saturación (Vds sat) Drenador-Surtidor; este valor viene determinado en las hojas características proporcionadas por el fabricante. En esta zona, el MOSFET mantiene constante su corriente de Drenador (ID), independientemente del valor de tensión que haya entre el Drenador y el Surtidor (VDS). Por lo tanto, el transistor equivale a un generador de corriente continua de valor ID. Es decir; el MOSFET estará en esta región, cuando VGS > Vt y VDS > ( VGS – Vt ). O sea, estaremos en la región de saturación cuando el canal se interrumpe o estrangula, lo que sucede cuando: VDS ≥ VGS - VT → Región

de saturación

Región de Ruptura. Esta zona apenas se utiliza porque el transistor MOSFET pierde sus propiedades semiconductoras y se puede llegar a romper el componente físico. La palabra ruptura hace referencia a que se rompe la unión semiconductora de la parte del terminal del drenador. Los transistores unipolares están limitados en tres magnitudes eléctricas: -En tensión: no se puede superar el valor máximo de tensión entre la puerta y el surtidor. Este valor se denomina BVgs. Tampoco se puede superar un valor máximo de tensión entre el drenador y el surtidor denominado BVds. -En corriente: no se puede superar un valor de corriente por el drenador, conocido como Idmax. -En potencia: este límite viene marcado por Pdmax, y es la máxima potencia que puede disipar el componente.

Máxima Tensión Puerta-Fuente. La delgada capa de dióxido de silicio en el MOSFET funciona como aislante, el cual, impide el paso de corriente de Puerta, tanto para tensiones de Puerta negativas como positivas. Muchos MOSFET están protegidos con diodos zener internos, en paralelo con la Puerta y la Fuente. La tensión del zener, es menor que la tensión Puerta-Fuente que soporta el MOSFET VGS (Max). Zona Óhmica. El MOSFET es un dispositivo de conmutación, por lo que evitaremos, en lo posible, polarizarlo en la zona activa. La tensión de entrada típica tomará un valor bajo o alto. La tensión baja es 0 V, y la tensión alta es VGS (on), especificado en hojas de características. Drenador-Fuente en resistencia. Cuando un MOSFET de enriquecimiento se polariza en la zona activa, es equivalente a una resistencia de RDS (on), especificada en hojas de características. En la curva característica existe un punto Qtest en la zona óhmica. En este punto, ID (on) y VDS (on) están determinados, con los cuales se calcula RDS (on).

PWM Hablamos de la función PWM como abreviatura de la modulación por ancho de pulsos, algo que se ha convertido en una práctica habitual de los interruptores de potencia modernos, controlando la energía de inercia. Esta acción tiene en cuenta la modificación del proceso de trabajo de una señal de tipo periódico. Puede tener varios objetivos, como tener el control de la energía que se proporciona a una carga o llevar a cabo la transmisión de datos. Por lo general, todo sistema que procesa información binaria para controlar un proceso analógico requiere una etapa de entrada analógica – digital y una etapa de salida digital –analógica (convertidores ADC y DAC). Para reducir costos en los diseños que no requieren alta resolución en la etapa de salida, es posible sustituir el DAC por un algoritmo de Modulación por Ancho de Pulsos (PWM - Pulse-Width Modulation). Una unidad PWM permite asignar cierta duración de tiempo en alto o en bajo a un dato digital de n bits que se considera salida de la etapa procesadora. Lo anterior se logra conectando un contador y un circuito comparador, tal y como se aprecia en la siguiente figura:

Cómo funciona La función PWM requiere de un circuito en el cual hay distintas partes bien diferenciadas entre sí. El comparador es lo que se convierte en el nexo, contando con una salida y un total de dos entradas distintas. A la hora de configurarlo tenemos que tener en cuenta que una de las dos entradas se centra en dar espacio a la señal del modulador. Por su lado, la segunda entrada tiene que estar vinculada con un oscilador de tipo de dientes de sierra para que la función se pueda llevar a cabo con éxito. La señal que proporciona el oscilador con dientes es lo que determina la salida de la frecuencia. Es un sistema que ha dado buenas demostraciones de funcionar, convirtiéndose en un recurso muy utilizado en cuanto a la disponibilidad de recursos energéticos. Las principales ventajas que tiene este procedimiento son: − Máxima variación del ciclo de trabajo: del 0 al 100%, frente al rango 15- 85% típico de los moduladores pwm analógicos. − Muy fácil interfaz con microprocesadores (como anteriormente se microcontroladores).

comentó lo suelen incluir la mayoría de los

− Muy flexibles: permiten ajustar fácilmente el tiempo muerto, la frecuencia de modulación, señal de control de la tensión de alimentación del puente, etc. (véase la implementación de un generador pwm generalizado realizada en [López-01]).

− El valor medio de la tensión de salida del puente, es decir, la tensión que se aplica al devanado de armadura del motor, mantiene una relación lineal con el ciclo de trabajo del pwm, y por tanto con la tensión de salida del controlador (para que esta hipótesis sea correcta, se debe de considerar que la caída de tensión en los transistores que forman el puente en H de la etapa de potencia es nula, así como que el tiempo en blanco, que más adelante se analizará, sea también nulo). El principal inconveniente que tiene: Modulación PWM − Fuertes limitaciones en el binomio frecuencia de modulación-número de bits de resolución: a medida que aumenta el número de bits de resolución, la frecuencia del reloj del sistema debe de ser más alta.