A la hora de hacer de controlar cargas con transistores MOSFET, generalmente existe dos tipos de circuitos los high-side o los low-side: los primeros abren o cierran el circuito por la parte de alimentación, es decir entre la carga y voltaje positivo; los segundos, controlan la carga abriendo y cerrando la conexión a tierra. Pero, ¿Que es mejor high-side o low-side? Es mejor usar un PMOS o un NMOS? Cómo podemos hacer un circuito de Arduino para controlar MOSFETS tipo P?
Los circuitos
Cómo podemos ver ambos circuitos son muy parecidos: en ambos tenemos un transistor que cierra una conexión en función de una señal de entrada. La principal diferencia es el tipo de MOSFET y su colocación, en uno tenemos un PMOS conectado en la parte “de arriba” conectando la alimentación, mientras que el otro es un NMOS conectado a la parte “de abajo” conectando la tierra.
Circuito de control con NMOS (low-side)
Este es el circuito más común que vais a encontrar, consiste en un transistor NMOS que conecta la carga a tierra. En Gate del MOSFET se coloca la señal de control (generalmente un Arduino o equivalente), y una resistencia de pull-down, de alto valor, para que la Gate nunca esté sin un voltaje definido.
Es importante a la hora de elegir el transistor que el voltaje de encendido sea inferior al voltaje que da nuestro controlador. Es decir, si estamos usando un arduino que saca 5V por los GPIOs, necesitaremos un transistor con voltaje de encendido (Vgs en el datasheet) menor de al menos la mitad de 5V.
Tened cuidado porque ultimamente, la mayoría de sistemas funcionan a 3.3V, así que necesitáis MOSFET con mejor voltaje de encendido. En ambos casos, el IRLZ44N es el típico transistor que podemos usar sin problemas. El otro conocido IRFZ44N, necesita voltajes de encendido mayores, así que de momento no lo vamos a usar.
El funcionamiento es muy simple, cuando el voltaje en la puerta Vg, es mayor que el umbral (Vth en datasheet), el transistor pasa a activa y, para corrientes pequeñas, se comporta como un circuito cerrado. Exactamente se comporta como una resistencia muy pequeña, así que la caída de voltaje es despreciable.
Este circuito se puede usar para controlar motores, hacerse cargas activas…
Circuito de control con PMOS (high-side)
Por otro lado tenemos el caso del circuito con PMOS o high-side switching. En este caso el transistor de control es un PMOS en la parte alta de la carga. Los PMOS funcionan como los NMOS, pero en negativo, es decir necesitamos que Vgs sea negativo (a más negativo más conduce).
Sin embargo, hacer el interfaz con un Arduino/micro no es tan sencillo como antes: Si el voltaje de la carga es de, por ejemplo, 12v, entonces para cerrar el transistor necesitaríamos poner en la puerta 12v, y para abrirlo necesitamos 0v. La parte de cerrar está clara, ponemos le pin a LOW y listo, pero si queremos abrir el circuito, necesitamos 12v, y eso no lo da Arduino.
Generalmente para el control de los PMOS, usamos un circuito auxiliar con otro transistor. En el siguiente diagrama podeis ver cómo se podría hacer el control de un MOSFET de canal-P con el GPIO de un Arduino/ESP32. Adaptando el valor de la resistencia Rin para los 5v/3v3 de micro, podemos hacer un control muy sencillo.
Que es mejor PMOS o NMOS?
Después de ver que ambos circuitos valen para lo mismo, y funcionan más o menos igual, la duda es ¿qué método uso? ¿PMOS o NMOS? ¿High-side vs Low-side?. La respuesta a estas preguntas es, como siempre, depende! Depende, principalmente de unas características típicas de la fabricación de estos transistores.
- Los PMOS tienen Rdson bastante mayores que las de los NMOS, por lo que son menos eficientes y se calientan más que el equivalente NMOS.
- El control de los PMOS es más complejo y requiere de más componentes
Entonces, cuando elegimos un circuito high-side? Cuando necesitamos que lo que conectemos tenga la tierra común al resto de sistemas, por ejemplo microcontroladores, sensores…
Conclusión
En conclusión podemos decir que:
- Usaremos low-side o NMOS para cargas que requieran mucha corriente, o cargas simples que no necesiten tierra común.
- Usaremos high-side o PMOS cuando controlemos grupos de dispositivos, o sean dispositivos sensibles al voltage de tierra.
