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?

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).

Cirtcuito High-side con PMOS sin Pull-ups

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.

Para ello podemos hacer uso de pull-ups y modo alta impedancia del microcontrolador. Si tenemos el siguiente circuito, cuando la entrada es LOW tenemos una Vgs de -12v, así que genial. Pero si luego en vez de HIGH, ponemos el pin en Alta impedancia (es decir, es como que no estuviera conectado), entonces el voltaje, al no tener otro camino, no puede ser otro que +12v, por lo que Vgs = 0 y el circuito se cierra.

Cirtcuito High-side con PMOS con Pull-ups

Sin embargo, este circuito no es óptimo, y no podríamos por ejemplo, conectarle una señal PWM (no hay señales que cambien entre LOW y Hi-Z, alta impedancia). Por lo que generalmente para el control de los PMOS, usamos un circuito auxiliar con otro transistor.

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.
Categorías: Electrónica

Gluón

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