Táboa de contido

Alá polo 2018 escribín un pequeno artigo para a wiki de bricolabs sobre os circuitos de protección contra polaridade inversa. Máis por ter unha copia de seguridade ca por replicalo sen máis, pensei en poñelo tamén na miña web. Á fin e ó cabo o meu traballiño me levou no seu tempo.

Así que, sen máis que comentar, aquí o tedes.

Circuitos de protección contra polaridade inversa.
#

Por José M. Mariño.

Neste artigo imos explicar o funcionamento dos circuitos de protección contra polaridade inversa. O emprego destes circuitos é altamente recomendable para evitar danos ós nosos proxectos por algo tan sinxelo e tan parvo como conectar a alimentacioń ó revés. O baixo custo dos compoñentes necesarios, frente ó algo custo qe pode supoñer un erro deste tipo, convirte nunha boa costume (e moi rendible ás veces) comezar os nosos deseños cun circuito de protección contra polaridade inversa.

Se estamos a montar un proxecto a base de placas xa montadas (un arduino por aquí, un ESP por alá), ou nunha bread board onde non custa demasiado substituír un compoñente danado, pode que o simple custo económico (baixo) que supón errar na polaridade nos faga prescindir dun destes circuitos. Á fin e ó cabo, se nos equivocamos e fundimos algo, é doado de substituir e o custo pode non ser moi elevado.

Pero se estamos realizando un deseño da nosa propia PCB, resulta moi aconsellable incluir este tipo de circuitos. E non só iso, senón que a protección contra polaridade inversa non debe ser a única medida de robustez ante erros de conexionado, sendo recomendable complementala con outras (conectores non reversibles para a conexión de baterías, etc…). É preferible que non teñamos que agardar a ter que substituír todos los integrados dunha PCB (sobre todo se son SMD) para caer na conta da súa importancia.

Así que sen máis, imos ó choio.

1.- Descrición e funcionamiento do circuito de protección.
#

Na seguinte figura podemos observar en que consiste e como funciona o circuito de protección.

Esquema dun circuito de protección coas dúas situacións posibles

Para explicar o funcionamento do circuito, lembremos antes como funciona un MOSFET:

Os MOSFET son dispositivos nos que a corrente que circula entre fonte (source) e drenador (drain) depende da tensión aplicada entre a porta(gate) e a fonte (source).
Os MOSFET son dispositivos controlados por tensión. Isto quer dicir que pola porta non circula corrente (imos esquecer as capacidades parásitas, que non veñen a conto e só son importantes en alta frecuencia).
Os MOSFET de canle N conducen cando aplicamos á porta unha tensión máis positiva que a da fonte.
Os MOSFET de canle P conducen cando aplicamos á porta unha tensión máis negativa que a da fonte.
A tensión porta-fonte ten que superar un valor limiar (V_GSth) para que o MOSFET comece a conducir. Isto é, non é dabondo con aplicar tensión positiva (canle N) ou negativa (canle P), senón que ademáis ten que superar un valor mínimo por debaixo do cal o MOSFET segue sen conducir.
Os MOSFET, por construción, posúen un diodo intrínseco entre drenador e fonte. Nos de canle N o drenador é o cátodo do diodo, mentres que nos de canle P é o ánodo. Este diodo podémolo ver representado formando parte do símbolo do MOSFET.

Imos agora co noso circuito. Teñamos presente que o MOSFET que empregaremos é un de canle P. Os MOSFET de canle P sempre resultan contraintuitivos á hora de entender o seu funcionamento, porque non estamos acostumados a pensar en tensións negativas para excitar un transistor. Algo semellante ó que ocorre cos BJTs, nos que se entende mellor o seu funcionamento cun NPN que cun PNP. É unha cuestión de hábito, nada máis.

1.1.- CIRCUITO DE PROTECCIÓN EN FUNCIONAMENTO NORMAL.
#

Atentos á figura da esquerda. En dita figura, temos conectada correctamente a batería. O circuito que queremos alimentar está representado pola resistencia R_LOAD.

Esquezámonos do MOSFET por un intre, e fixémonos só no seu diodo intrínseco. Podemos ver con facilidade que coa polaridade correcta, o diodo intrínseco atópase directamente polarizado e comezará a conducir. Polo tanto , nun primeiro momento poderíamos asumir que a tensión na carga será a tensión da batería menos a caída de tensión no diodo (uns 0,7V aprox.).

Asumindo que o MOSFET vai conducir si ou si porque o seu diodo intrínseco está en conducción, imos ver que ocorre agora coa tensión de porta e de fonte:

A porta está conectada a través dunha resistencia ó negativo da batería (que será a nosa referencia de tensión).
Dado que pola porta non circula corrente, na resitencia de porta non hai ningunha caída de tensión, e a tensión na porta será tamén de 0 V.
A fonte do MOSFET está conectada á carga, e a tensión na carga será igual á tensión da batería menos a caída de tensión que se produce no diodo intrínseco.
Polo tanto, a tensión da porta respecto da fonte é negativa. O MOSFET estará polo tanto en estado de condución.
Asumindo que as condicións son as axeitadas (porque se deseña para elo), o MOSFET estará traballando na zona óhmica. Como seleccionamos un MOSFET axeitado, a súa resistencia R_DS(on) será moi baixa, de tan só unha decenas de miliohmios.

Todo o anterior implica que en realidade o que ocorre é que o MOSFET curtocircuitará ó seu diodo intrínseco. É dicir, que a caída entre os terminais do MOSFET non serán os 0.7 V de caída típica nun diodo, senón que será igual á corrente de carga multiplicada pola resistencia do MOSFET. Dixemos antes que esta resistencia é moi baixa, co que a caída de tensión no MOSFET tamén será moi baixa. E esta é a gran vantaxe da protección con MOSFET respecto a poñer un simple diodo.

1.2.- CIRCUITO DE PROTECCIÓN EN MODO PROTECCIÓN (vala a rebuznancia).
#

Supoñamos agora que metemos a zoca e conectamos a batería ao revés. É dicir, que montamos un circuito coma o da figura da dereita.

O diodo intrínseco queda polarizado inversamente, co que non conduce e podemos olvidarnos del.

Para analizar o funcionamento do circuito, imos facelo baixo dúas suposicións: que o MOSFET conduza, e que non o faga.

Supoñamos que o MOSFET conduce:

A tensión na carga será negativa. O positivo será agora a nosa referencia de tensións.
Non sabemos como de grande será a caída de tensión no MOSFET, pero o que si sabemos é que si o MOSFET conduce, a tensión na carga será negativa porque a batería está do revés.
A tensión na porta será de 0 V, pola mesmo motivo exposto no caso anterior.
A porta estará entón a unha tensión máis positiva que a fonte.
Peeeero, o MOSFET é de canle P. É incompatible supoñer que o MOSFET conduce, e que a tensión de porta sexa positiva respecto da fonte.
Polo tanto, a hipótese inicial é incorrecta, e en realidade O MOSFET NON CONDUCE.

Fagamos agora a suposición de que o MOSFET non conduce:

A caída de tensión na carga será nula, dado que a intensidade que a atravesa tamén o é.
A tensión de fonte será polo tanto, 0 V.
A tensión de porta é tamén cero, polas razóns xa comentadas.
A diferencia de tensión entre porta e fonte será, por todo o anterior, de 0 V.
Dado que a tensión porta-fonte non excede a tensión de limiar necesaria, o MOSFET non conduce.
A conclusión corrobora a hipótese inicial.

1.3.- CRITERIOS DE DESEÑO.
#

Agora imos dar unhas liñas xerais que debemos ter en conta á hora de deseñar o noso circuito de protección. Básicamente, debemos limitarnos a escoller ben o MOSFET.

O primeiro que debemos ter en conta son cousas obvias:

Deberemos escoller un MOSFEF cuxa tensión máxima drenador-fonte (V_DS) sexa superior á tensión de traballo do noso circuito.
Deberemos escoller un MOSFET cuxa intensidade máxima drenador-fonte (I_DS) sexa superior á intensidade que vai consumir o circuito que queremos protexer.
Deberemos escoller un MOSFET cuxa resistencia R_DS(on) sexa baixa dabondo para que, tendo en conta a intensidade que vai consumir o noso circuito, non provoque unha excesiva caída de tensión.
Por suposto, non debemos exceder a potencia máxima que poida disipar o MOSFET. A análise térmica tamén é necesaria para saber se debemos engadir un disipador.

E en segundo lugar debemos ter en conta unha cousa que non é tan obvia:

Deberemos escoller un MOSFET cuxa tensión de limiar de porta V_GSth sexa baixa dabondo para garantir que o MOSFET entra en condución na zona óhmica.
Isto é importante sobre todo se estamos a deseñar un circuito que traballe a unha tensión baixa.
Os MOSFET de uso xeral teñen unha tensión de limiar que é alta de máis comparada cos niveis de tensión que manexan os circuitos dixitais (5V, 3V3).
Por sorte hai familias de MOSFET expresamente deseñadas para estes casos, nos que un circuito dixital traballando a 5V ou 3.3V pode activar perfectamente o MOSFET.
Así como debemos asegurar que a tensión de traballo fará entrar en condución ó MOSFET axeitadamente, debemos tamén protexer a porta dunha tensión excesiva, se fose necesario.

Neste tipo de circuitos, a resistencia de porta R_GATE tan só ten como función manter polarizada a porta. A porta do MOSFET podería ir conectada directamente ó negativo da batería, pero iso ás veces provoca oscilacións no MOSFET durante as conmutacións debido ás capacidades parásitas de porta, e por iso se lles engade unha resistencia para limitar a velocidade de conmutación. Cun valor de 100K ou semellante funcionará perfectamente. Se se tratase dun circuito onde o MOSFET estivese conmutando continuamente a altas frecuencias, o cálculo da resistencia de porta tería máis importancia. Pero para un circuito de protección onde o MOSFET conmuta unha soa vez ó conectar a alimentación, non paga a pena profundizar neste apartado.

1.4.- EXEMPLO DE DESEÑO: FQP47P06
#

Vexamos un exemplo cun MOSFET en concreto, o FQP47P06.

O FQP47P06 é un MOSFET cunha baixa R_DS(on), de tan só unhas decenas de miliohmios. Ademáis, a tensión de limiar de porta oscila entre -2V e -4V. A intensidade máxima que soporta é de 47A, e a tensión máxima é de 60V.

Aquí podemos ver as características de acendido que da o fabricante:

Fixémonos tamén en que o fabricante, aínda que nos di que a tensión limiar de porta é de -2V..-4V, os valores da R_DS(on) dánolos baixo a condición dunha tensión porta-fonte V_GS=-10V. É dicir, que o MOSFET está fabricado para usar unha tensión de porta de -10V, ou semellante, se queremos obter a baixa resistencia que anuncia o fabricante para este modelo de MOSFET..

Esta é a gráfica de I_DS fronte a V_DS. Esta gráfica amósanos a curva característica de caída de tensión no MOSFET en función da intensidade que o atravesa. E ademáis, como o estado de condución do MOSFET depende da tensión de porta, danos varias gráficas para varios valores de V_GS.

Nesta gráfica podemos distinguir a zona óhmica, que é a zona superior/esquerda onde as liñas son máis rectas e están máis xuntas. Nesta zona, o MOSFET traballa coma unha resistencia. Na zona dereita do gráfico temos a zona de saturación, na que a intensidade varía pouco a pesar de que a tensión varíe moito. Nesta zona, o MOSFET compórtase coma unha fonte de corrente (casi) constante.

Queremos que o noso MOSFET traballe na zona óhmica, isto é, queremos que o MOSFET non introduza ningún comportamente non lineal no circuito. Ademáis diso, queremos que a caída de tensión sexa a menor posible.

Supoñamos agora que queremos usar ese MOSFET nun circuito de protección, cunha tensión de alimentación de 20V e un consumo na carga de 20A.

Esta é a gráfica anterior, pero coa recta de carga para unha tensión de funcionamento de 20V e unha intensidade de consumo de 20A:

¿Como establecemos a recta de carga? É moi dodado: sabemos que a tensión da batería do noso circuito vaise a repartir entre o MOSFET e a resistencia de carga. Non sabemos en qué punto vai traballar o noso circuito, pero sabemos que:

Se a caída de tensión no MOSFET é cero, significa que toda a tensión vai á carga. E a intensidade neste caso serán os 20A que consume a nosa carga.
Se o MOSFET non conduce e a intensidade é cero, na carga non haberá tensión e polo tanto toda a tensión da nosa batería terémola entre os bornes do MOSFET.

Con esto temos dous puntos límite de traballo do MOSFET:

V_DS = 0V, IDS = 20A
V_DS = 20V, IDS = 0A

E con estes puntos podemos trazar a recta vermella que se ve na gráfica. Os puntos desta recta son os que cumplen a ecuación:

V_DS + I_DS * R_LOAD = 20V

Sexa cal sexa o punto no que vai a traballar o noso MOSFET, estará nesta recta.

Estamos asumindo que o noso circuito alimenta a unha resistencia (neste caso concreto de 1Ω), cousa que case nunca será certo. Pero esa asunción vale para calcular o punto de traballo cos valores máximos que nos poñamos. Se o MOSFET funciona ben co consumo máximo que consideremos, tamén o fará con consumos inferiores.

Unha vez establecida a recta de carga, temos que ver en qué puntos se intersecta coas diferentes curvas características do MOSFET (cada unha das curvas corresponde a unha tensión de porta en concreto):

O punto A sería o punto de traballo do MOSFET se polarizamos a porta con V_GS = -4.5V
O punto B sería o punto de traballo do MOSFET se polarizamos a porta con V_GS = -5.0V
O punto C sería o punto de traballo do MOSFET se polarizamos a porta con V_GS = -5.5V

Como se pode apreciar, a medida que aumentamos a tensión porta-fonte (sen esquecer que é negativa respecto da fonte), o MOSFET vólvese máis condutor, polo que a intensidade aumenta e a tensión drenador-fonte diminúe.

Agora ben, chegados a este punto debemos indicar que cometemos un par de erros:

As curvas do fabricante están representadas baixo escalas logarítmicas, e nós debuxamos a nosa recta de carga como se os eixes estivesen graduados linealmente. Isto é incorrecto (pero necesitaba explicar como se debuxa unha recta de carga). Debemos adecuar a recta de carga á escala logarítmica.
O fabricante non nos está a dar as gráficas cos eixes centrados no cero, senón que a tensión máis pequena é de 0.1V (10^-1), e a intensidade máis pequena é de 0.5A. E sen embargo, debuxamos a recta de carga como se os eixes estivesen no cero. A pesar de que neste caso concreto o erro cometido é leve, non debemos facelo así nos nosos deseños.

Esta é a gráfica anterior, coa “recta” de carga debuxada segundo a escala logarítmica (ben, en realidade está feita máis ou menos a ollo, pero con espíritu logarítmico X-P). Para debuxar a recta de carga na escala logarítmica, abonda con facerse unha táboa de valores, dando varios valores a V_DS e calculando a I_DS (ou viceversa) na fórmula anterior. Logo teremos que calcular os logaritmos destes valores, e representalos na gráfica, que tamén emprega unha graduación logarítmica. Evidentemente, agora a nosa recta de carga xa non será tan recta:

Recta de carga 20V/20A correcta nun FQP47P06

Analizemos agora que tal se comportaría o noso MOSFET con diferentes tensións de porta:

Para V_GS = -4.5V, temos unha I_DS de entre 2A e 3A, máis preto do 3. V_DS estaría todavía preto dos 20V. Nesta zona da gráfica podemos ver mellor os valores de intensidade ca os de tensión, así que empregaremos os de intensidade e calcularemos os de tensión. Se facemos os cálculos con 3A, a tensión na carga sería de 3V, e polo tanto V_DS = 17V. Non podemos negar que o MOSFET comezou a conducir, pero dende logo non é o punto de traballo que nos interesa. Estamos claramente na zona de saturación, e a potencia disipada polo MOSFET sería inasumible (3A * 17V = 51W).
Para V_GS = -5.0V, temos unha I_DS de casi 8A. Con I_DS = 8A temos V_DS = 20V - 8A * 1Ω = 2V. Podemos dicir xa claramente que o MOSFET conduce, pero tampouco chegamos á zona óhmica.
Para V_GS = -5.5V, temos unha V_DS de 3V (agora tomaremos da gráfica os valores de V_DS porque temos máis precisión que nos de intensidade). Para unha V_DS de 3V, I_DS = 17A. Podemos dicir xa que estamos preto da zona óhmica.
Para V_GS = -6.0V, temos V_DS = 0.6V e I_DS = 19.4A. Eso da unha R_DS(on) = 30.9mΩ.
Para V_GS = -7.0V, temos V_DS = 0,47V (así, a ollo) e I_DS = 19.53A. R_DS(on) = 24mΩ.
Para V_GS = -8.0V, temos V_DS = 0,43V e I_DS = 19.57A. R_DS(on) = 21.9mΩ.
Para V_GS = -10.0V, temos V_DS = 0.4V e I_DS = 19.6A. Se calculamos a R_DS(on) sáenos 0.4/19.6 = 20.4mΩ. Para ser unha gráfica feita a ollo, clavámolo cos datos do fabricante…

Como podemos observar, a partir dunha V_GS de -6V o noso MOSFET atópase xa claramente na zona óhmica. Tendo en conta que o noso circuito de exemplo traballa a 20V, a tensión de porta en modo de funcionamento normal será de -20V (realmente será lixeiramente menor, por mor da caída de tensión entre drenador e fonte), o que excede de sobra a tensión necesaria para que o MOSFET entre na zona óhmica.

Podemos dicir entón que o MOSFET que escollemos é válido para o noso deseño.

Obviamente, estamos dando por feito que tamén cumple o resto de parámetros de deseño, como potencia disipada, valores de tensión e intensidade máximos, etc. Iso tamén é necesario comprobalo, pero nesta guía estámonos centrando en como comprobar se o noso MOSFET traballará na zona correcta.

Para este exemplo concreto, ademáis, cómpre ter coidadoi de que a tensión de porta non exceda o valor máximo indicado polo fabricante, que no caso do FQP47P06 é de 25V. Aínda que non pasaría nada por facelo funcionar a 20V, sería recomendable incorporar un circuito de protección de porta, que veremos máis adiante. Si, si, leístes ben, imos a implementar un circuito de protección para o circuito de protección. O METACIRCUITO DE METAPROTECCIÓN.

Imos ver agora un caso no que o noso circuito funciona a 10V e consume 2A. A “recta” de carga sería a seguinte:

Neste caso, para unha tensión de porta V_GS = -4.5V, obtemos unha caída de tensión V_DS de entre 0.4V e 0.5V. Algo perfectamente válido, aínda que non óptimo. Como o noso circuito traballa a 10V, o punto de corte escápase da gráfica (lembremos que os eixes non están centrados no cero), pero podemos estar certos de que o punto obtido para -10V será mellor que o de -4.5V. Polo tanto, para cargas modestas, o FQP47P06 é un MOSFET válido para implementar os nodos circuitos de protección aínda que as tensións de alimentación sexan baixas.

Existe outra circunstancia que xoga no noso favor cando deseñamos unha protección para circuitos que funcionen a tensións baixas:

Por regra xeral, os nosos circuitos levarán un regulador de tensión para alimentalos.
A entrada deste regulador recibe unha tensión que sempre é máis alta (se o regulador é lineal) que a tensión de saída que logo alimenta o resto do circuito.
É dicir, que se os nosos integrados funcionan a 5V, seguramente na entrada do noso regulador teremos uns 6-7V, pode que máis.
O noso circuito de protección funcionará baixo esta tensión de entrada de 6-7V, non baixo os 5V de saída.
E a maior tensión de funcionamento do circuito de protección, mellores condicións para asegurar o correcto acendido do MOSFET.

Como xa comentamos antes, existen familias de MOSFET deseñadas específicamente para traballar con niveis lóxicos como tensión de porta. Se queremos deseñar un circuito de protección para que funcione baixo tensións realmente baixas, entón non temos máis remedio que acudir a estas familias.

Tomemos por exemplo o IRLML6402. Este MOSFET de canle P soporta unha tensión máxima de 20V, e unha intensidade de 3.7A. A súa R_DS(on) é de 50mΩ para unha tensión de porta de -4.5V, pero xa con tensións de porta tan baixas como -2.5V obtemos valores de R_DS(on) de 80mΩ.

Nas gráficas que nos dá o fabricante, xa nen sequera se molestan en debuxar a zona para pequenas correntes, e a gráfica de I_DS ten o seu eixe situado en I_DS=1A:

Outro MOSFET que é capaz de entrar en condución con tensións de porta baixas é o NTF6P02. Aquí vemos un exemplo para un circuito alimentado cunha batería LiPo 1S (3.7V) e que consume 3A:

Como se pode ver na gráfica (OLLO, que agora a gráfica é lineal e polo tanto a recta de carga é unha recta de verdade), entramos na zona óhmica con tensións de porta tan baixas como -1.6V.

2.- PROTECCIÓN DE PORTA.
#

No noso primeiro exemplo comentabamos que a tensión de porta ca que ía traballar o noso MOSFET era máis que dabondo para o seu acendido (-20V fronte aos -10V necesarios). De feito, esa tensión de porta atopábase preto dos valores máximos que dá o fabricante para V_GS (-25V como máximo).

Non hai razón para traballar tan preto da tensión máxima se non hai motivos para iso, polo que neste caso sería aconsellable incorporar un circuito que evite que a tensión de porta sexa tan grande.

Podemos limitar fácilmente a tensión porta-fonte nun MOSFET cun sinxelo diodo Zener como o do esquema seguinte:

Neste circuito, a tensión de porta nunca superará o valor da tensión do diodo Zener, sexa cal sexa a tensión da batería, xa que o Zener entrará en condución inversa mantendo constante a tensión entre os seus bornes.

Cómpre escoller o diodo Zener cunha tensión axeitada á tensión de porta que queremos obter. Por exemplo, se a tensión de alimentación é de 20V e a tensión de porta do MOSFET debe ser de -10V, empregaremos un diodo Zener dunha tensión normalizada cercana ó valor desexado. Neste caso, temos diodos Zener de xustamente 10V, así que ese sería o valor escollido.

Para a resistencia de porta deberemos escoller un valor que permita ao Zener conducir en polarización inversa. O valor de R_GATE debe ser tal que a corrente que a atravese sexa superior á intensidade mínima do Zener (pero non superior á máxima, claro). Se entre os terminais do Zener imos ter 10V, na resistencia de porte teremos os outros 10V que faltan (para unha tensión de alimentación de 20V), coñecidos estes 10V e sabendo cal é a intensidade mínima do Zener (que o saberemos en canto escollamos o modelo), xa poderemos saber que resistencia debemos empregar.

Imos velo con números, para entendelo mellor.

Collamos un Zener normaliño, da serie 1N. Para 10V, temos o 1N4740A.

Nas características deste diodo temos:

I_ZK = 0.25 mA
P_MAX = 1 W
I_ZT = 25 mA

I_ZK, a corrente de cóbado (ou de xeonllo, o como queiramos chamarlle), é de 0.25 mA. É dicir, que cando o Zener está preto de entrar en condución inversa, a corrente é de 0.25 mA. Poderiamos tomar este valor como corrente mínima, aínda que neste punto seguramente a tensión todavía non chegue aos 10V nominais. Esta corrente marca o punto no que o Zener comeza a entrar en condución inversa.

I_ZT é a corrente de test que empregou o fabricante nos seus ensaios.

Aínda que non nos din directamente cal é a corrente máxima do Zener, sabemos que pode disipar 1W como máximo, así que facendo números temos I_ZM = 1W/10V = 100mA. En realidade a corrente máxima será algo menor que este valor porque a curva do Zener non é completamente vertical, senón que a tensión vai aumentando lixeiramente a medida que aumenta a intensidade. Pero para facernos unha idea válenos.

A finalidade do Zener é simplemente limitar a tensión de porta. Pola porta non circula corrente, así que polo Zener vai a circular sempre a mesma corrente (iso simplifica o cálculo).

Podemos fixar unha intensidade de traballo de 25mA, a mesma que empregou o fabricante nas súas probas. Pero tampouco temos por que gastar enerxía da nosa batería ao chou. Imaxinemos que estamos a utilizar unha LiPo de 250mAh. Neste caso, empregar unha corrente de traballo para o Zener de 25mA faría que en 10 horas agotásemos a nosa batería, só para manter a corrente do Zener. Excesivo a todas luces.

En realidade, este caso é un pouco irreal, porque se empregamos unha LiPo pequena, a tensión normalmente tamén será pequena, e entón non precisariamos do Zener de protección. Pero que nos vala o exemplo para ter presente que sempre hai que ter en mente todos os aspectos á hora de deseñar un circuito.

Como xa comentamos antes, a intensidade mínima, no cóbado da curva característica donde o Zener comeza a conducir, é de 0.25mA. Se fixamos unha corrente de traballo do Zener de 1 mA, vai que arde.

Se imos facer traballar ó Zener a 1 mA, entón a corrente que atravesará a resistencia de porta R_GATE será tamén de 1mA (lembremos que pola porta non circula corrente).

Na resistencia de porta imos ter unha tensión igual á tensión da batería, menos a tensión que cae no Zener, polo que teríamos 20V - 10V = 10V.

Finalmente, a nosa resistencia de porta debe ter un valor tal que tendo 10V de caída de tensión, circule por ela unha intensidade de 1mA, ou o que é o mesmo, 10V/1mA = 10KΩ.

Escollemos un Zener de propósito xeral, pero se pola razón que fose tivésemos que aforrar cada miliamperio que sae da nosa batería, hai moitos modelos de Zener deseñados para correntes moito máis baixas.

Por exemplo, para o DDZ9697 o fabricante indica unha I_ZT de 50μA, e se consultamos as súas gráficas (para este modelo si que atopamos gráficas), vemos que entra en conducción inversa con correntes tan baixas coma 0.1μA.

Empregando o DDZ9697 cunha intensidade de 10μA, a nosa resistencia de porta tería que ser de 10V/10μA=1MΩ. Poderíamos deixar a resistencia de 100K que tiñamos cando non usabamos Zener, en cuxo caso a intensidade sería de 10V/100K=0.1mA, e o DDZ9697 seguiría traballando correctamente (pode disipar ata 0.5W).

3.- ¿PODEMOS USAR MOSFET DE CANLE N?
#

Pois ben, si que podemos empregar MOSFET de canle N, faltaría máis. Evidentemente o circuito cambia de topoloxía aínda que segue a ser semellante. No canto de colocar o MOSFET no positivo da batería, teríamos que colocalo no negativo, coa porta conectada ao positivo mediante unha resistencia.

Quedaríanos algo así (figura da esquerda):

Protección contra polaridade inversa con MOSFET de canle N

É recomendable empregar MOSFET de canle N? Pois depende.

O emprego de MOSFET de canle N é perfectamente válido, sempre que teñamos en conta o que estamos a facer.

O primeiro que debemos ter en conta é que teremos unha resistencia entre a nosa liña de masa (0 V) e o negativo da batería, polo que é importante coñecer as implicacións que iso ten.

Calquera variación na intensidade que circule polo noso circuito, suporá que a caída de tensión no MOSFET de protección tamén oscilará. Polo tanto, se o consumo non é constante (que raramente o é) e polo motivo que sexa hai unha compoñente alterna na corrente demandada polo noso circuito, no MOSFET de protección teremos unha caída de tensión que terá unha compoñente continua pero tamén unha compoñente alterna. Esta compoñente alterna pode facer que aparezan ruídos ou efectos indesexados nalgunhas partes do noso circuito (véxase amplificadores). Sobre todo se o noso circuito protexido se vai conectar a outros circuitos e as súas masas van estar conectadas.

Unha opción é esquecernos do que hai entre o MOSFET e o negativo da batería, e asumir que a masa do noso circuito está no punto margado na figura da dereita. Calquera entrada de señal externa conectaríamola tomando como referencia de masa a este punto, en lugar de ó negativo da batería. Ó ter todo referenciado a ese punto, estariamos evitando a caída de tensión do MOSFET, e polo tanto evitando tamén o ruído do seu rizado.

Pero ollo, isto obligaríanos a esquecernos completamente, e a todos os efectos, de conectar nada máis a esa batería. Se empregásemos esa mesma batería para alimentar outros circuitos sen pasar polo MOSFET de protección, e tentásemos interconectar eses circuitos ó noso circuito protexido, estaríamos establecendo un bypass de facto ao noso MOSFET.

4.- AGARDA UN INTRE… QUE ACABO DE DARME DE CONTA DUNHA COUSIÑA.
#

Se chegastes ata aquí, noraboa. Xa tedes o ceo gañado.

Se ademáis fostes observadores, daríadesvos conta de que durante todo este ladrillo que vos acabo de soltar, estivemos conectando os MOSFET ao revés.

Ei, pero como que ao revés? Está todo mal? A explicación non vale para nada?

Nun MOSFET de canle P, a corrente I_DS toma valores negativos. Consultade as especificacións de calquera MOSFET-P e verédelo. Iso quer dicir que a corrente entra pola fonte e sae polo drenador (tomando o sentido convencional da corrente que vai de positivo a negativo).

Se vos fixades, en todos os nosos circuitos conectamos o drenador do MOSFET-P ao positivo da batería, e a fonte á carga. É dicir, que nos nosos circuitos a corrente do MOSFET-P circula ao revés, entrando polo drenador e saíndo pola fonte cara a carga.

Para o caso do MOSFET-N tamén o colocamos do revés. Nun MOSFET-N a corrente I_DS é positiva, é dicir, entra polo drenador e sae pola fonte, mentres que no noso esquema entra pola fonte e sae polo drenador.

É certo, puxéstelo ao revés do que se adoita a poñer. Por que?

O motivo é que se colocásemos o MOSFET respetando a súa posición habitual, coa fonte ao positivo da batería e o drenador conectado á carga, o diodo intrínseco que hai en todos os MOSFET mandaríanos o invento ao garete. O segredo é que o diodo intrínseco estea polarizado directamente no uso normal, e que se bloquee no modo de protección. Iso só é posible empregando o MOSFET ao revés. Se colocásemos o MOSFET como $DEITY manda, o circuito de protección non serviría de nada porque ó conectar a alimentación do revés, o diodo intrínseco comezaría a conducir, e o noso querido circuito comezaría a perder o seu fume máxico.

Pe.. Pero… Pódese facer esa salvaxada que estades a facer?

Pois sí. Constructivamente, un MOSFET non é máis ca unha canle resistiva simétrica. Nun MOSFET-P, temos dúas zonas P no medio dun substrato N, entre as cales establécese unha canle de portadores P que van dunha zona a outra. Da o mesmo cara qué lado vaia a corrente, porque a estrutura do semiconductor é a mesma se a recorremos nun sentido ou no contrario. Pode non ser totalmente simétrica e que a zona de dopado da fonte non sexa do mesmo tamaño que a do drenador, ou cousas así. Pero básicamente da igual ir da fonte ao drenador que do drenador á fonte.

É algo parecido ao que ocorre con un BJT. Un NPN é un NON o mires por onde o mires. Poderíamos intercambiar o emisor e o colector, e máis ou menos o BJT seguiría a funcionar. Non exactamente igual porque nos BJTs si que hai diferencias construtivas importante entre o emisor e o colector, pero seguiría a comportarse coma un transistor á fin e ao cabo.

Pois ben, nos MOSFET non hai tantas diferencias cando os empregamos do revés. Aínda que deseñamos o noso circuito empregando gráficas que asumen que o MOSFET se utilizará do modo habitual, podemos ter unha seguridade razoablemente alta de que o MOSFET vaise comportar igual a pesar de intercambiar o uso da fonte e o drenador.

E ata quí chegamos. Que non se vos queime ningún circuito máis, ou teredes que vérvolas comigo.