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FALLAS FRECUENTES AL REEMPLAZAR UN MOSFET parte 2
FUNCIONAMIENTO Y MEDICIONES DE UN MOSFET

por PICERNO




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2.1 INTRODUCCIÓN

Hay 4 tipos de MOSFET dependiendo de cómo se los fabrique. Pero los 4 tipos tienen la misma estructura interna. Didácticamente podemos considerarlos como una barra rectangular con las puntas muy conductoras y el resto de la barra de muy baja conductividad o de muy alta conductividad. Sobre uno de las superficies laterales se realiza un vitrificado de muy bajo espesor y sobre el vitrificado una metalización también de muy bajo espesor. Ver la figura 2.1.1.

 
Fig.2.1.1  MOSFET didáctico 

La barra de silicio puede ser de material tipo N o de material tipo P de acuerdo a las impurezas agregadas al fabricar el material de base.
 
La gran mayoría de los MOSFET de potencia y media potencia son de material tipo N y por eso en principio dedicaremos nuestro estudio a los mismos dejando todos los otros tipo para un apéndice posterior. ¿Porqué escribimos tipo de MOSFET? por además de diferenciarse en las impurezas agregadas al silicio se diferencian en la cantidad de impurezas agregadas.

Agregando muchas impurezas se consigue construir una barra que conduce sin aplicarle tensión a la compuerta y agregando pocas impurezas se consigue una barra del tipo aisladora. Asi es como se consiguen cuatro tipos diferentes de MOSFET de los cuales en principio solo vamos a estudiar una. Barra N del tipo de enriquecimiento.

Estos MOSFET poseen una aislación casi perfecta entre drenaje y fuente cuando la compuerta está sin tensión y una conducción casi perfecta cuando la compuerta tiene más de 3V con respecto al terminal de fuente.

Es decir que el dispositivo es similar a una llave que puede estar abierta o cerrada y se parece más a una llave mecánica que a un pulsador porque se queda conduciendo luego de polarizar a la compuerta aunque se quite la fuente de polarización. Es como si fuera una acción capacitiva que retiene la tensión de compuerta y de hecho lo es. ¿Pero dónde está el capacitor?.

Observe que la compuerta es una metalización totalmente aislada del resto del dispositivo. Y el material aislante es vidrio, que es un aislador prácticamente perfecto. Si Ud. lo toca con una fuente, aplicada entre el terminal de Fuente y el de Compuerta con la compuerta positiva y luego retira esta fuente, el capacitor queda cargado por un tiempo muy largo porque la circulación de corriente por el vidrio es imposible. 

¿Y porque se cierra el camino de circulación de corriente por la barra de silicio dopada? Porque la carga positiva de la compuerta atrae a los electrones de la barra, cercanos a los terminales metalizados cerrando el circuito. Este cierre de circuito puede llegar a ser del orden de los 0,5 Ohms por lo que puede considerarse al MOSFET como un relé.

En la figura 2.1.2 se puede observar el circuito del MOSFET y su circuito equivalente, dibujado en un Multisim con una llave controlada por tensión.

 
Fig.2.1.2 Equivalente mecánico a un MOSFET de canal N de enriquecimiento
2.2 LAS ESPECIFICACIONES DE UN MOSFET

¿Si Ud. es un electricista y tiene que poner una llave en una instalación que le va a interesar de la llave? La tensión que queda sobre la llave cuando está abierta y la corriente que circula cuando está cerrada. Si la instalación es de una casa rodante la tensión será la de la batería y la corriente la que corresponde a la carga que corta la llave. 

Si es un técnico en electrónica en principio le preocupará lo mismo. Y la mayoría de los reparadores no se preocupan por averiguar y comparar otras características. Pero saben que hay algo mas a tener en cuenta, pero como nadie lo explica en los videitos (porque no tienen tiempo) lo dejan con la conciencia tranquila. No se quede tan tranquilo porque el retorno de TVs en garantía significa que tiene que enfrentar el problema.

Los otros parámetros a tener en cuenta son de dos tipos. Los de CC y los de CA. El electricista no tiene de que preocuparse porque la frecuencia de 50 o 60 Hz de la red se comporta igual que la continua. Pero Ud. debe preocuparse porque hay fuentes principales que trabajan a 500 KHz o más. Por lo menos los circuitos integrados drivers más modernos permiten el ajuste de la frecuencia hasta 1 MHz.

Empecemos por los parámetros de continua. ¿Si el MOSFET soporta la tensión y la corriente que otra cosa hay que tener en cuenta? La resistencia interna del MOSFET llave cuando conduce, es uno de los parámetros más importantes y que tenemos posibilidad de medir casi sin instrumentos especiales.

¿Se podrá usar un tester para medir la resistencia interna del MOSFET que el fabricante denomina RDSon? (RDSon que significa resistencia Drenaje a Source con una tensión de 10V en el gate, con la cual evidentemente el MOSFET está conduciendo a nivel de saturación (es decir, es su mínima resistencia interna y si aumento la tensión de Gate no se reduce mas). También podemos decir que el camino interno de circulación se ensanchó todo lo que podía.

Si en este momento desconectamos el Gate la RDSon no cambia. Se mantiene durante un tiempo considerable a su mínimo valor. ¿Cuanto tiempo? Depende de la calidad de la fabricación, pero los de peor calidad pueden durar unos 10 minutos y los de mejor calidad, meses o años.

¿Esto es un efecto capacitivo y nos indica que el MOSFET podría utilizarse como memoria? Y como cree que funcionan las memorias Flash. Son una variante del MOSFET donde se cuida que el Gate este mejor aislado. En el caso de los MOSFET de potencia este capacitor es un componente espurio (es decir que el fabricante trata de reducirlo al mínimo, porque afecta a la velocidad de conmutación) pero es imposible bajarlo por debajo de un determinado valor. Y además es un componente que aumenta cuando más potencia puede manejar el MOSFET (de mas tensión o de mas corriente). Ese capacitor es tan real que hasta tiene un nombre universalmente conocido como Ciss (Capacitor input source source o simplemente capacitor de entrada Cin). 

Por eso el criterio de algunos reparadores y de algunos comerciantes de tener en stock MOSFET de 500V solamente o de 20A y ofrecerlo o colocarlo en un lugar donde se requieren 50V 8A es erróneo. Es imprescindible tener una gama de corrientes y una gama de tensión y verificar la capacidad Cin y la resistencia de conducción plena RDSon.

Y que valores puede tener ese capacitor equivalente de la metalización del Gate. Depende de los parámetros del MOSFET pero está entre 300 pF para los MOSFET de 50V 8A del tipo de "Baja carga" a los 2.000 pF en los de 500V 20A del tipo común. No puede ser; con 300 pF conseguir una constante de descarga de 10 minutos requiere resistencia de aislación 2.000.000 de megaohms.

Y asi es. ¿Entonces se puede medir con el tester? En el mundo de los videitos se puede. Pero nosotros tenemos tiempo para decir que es solo una medición aproximada y que no sirve para determinar la calidad de un MOSFET, salvo que se realice por comparación con un MOSFET de probada calidad. ¿Y que tendríamos que medir para reconocer la calidad de un MOSFET? RDSon; la capacidad de entrada, la tensión máxima de trabajo y la corriente máxima de trabajo. Las últimas dos son pruebas destructivas y no se pueden hacer con un tester solamente. Por lo tanto nos vamos a concentrar en medir RDSon y Ciss.

2.3 LAS MEDICIONES RDSon Y C iss DE UN MOSFET

¿Como funciona un tester al medir resistores? Aunque parezca mentira no encontré un solo video que indique como es el circuito interno del tester para medir resistores y mal podemos medir la resistencia RDSon si no sabemos a qué circuito de medición la estamos sometiendo. Todos los testers digitales usan el llamado circuito paralelo que podemos ver en la figura 2.3.1.

 
Fig.2.3.1 Ohmetro Paralelo en la escala más baja de R

Primero hay que aclarar que se trata de un esquema didáctico. En realidad El resistor R2 es un regulador electrónico de corriente que asegura que si la tensión de entrada no varía la corriente que circula por la carga tampoco lo hará. En el tester la fuente de alimentación es siempre una batería de 9V que se descarga con el uso. Por eso se interpone siempre un regulador que en mi tester es de 5V pero que en otros puede tener un valor entre 2 y 5V.

El simple circuito de la figura es una fuente de corriente constante de 100 mA. Es decir que no importa el valor de carga "R a Medir" la corriente por el circuito es siempre del mismo valor. El límite del resistor más alto que se puede medir es aquel resistor que con 5V hace circular por sí mismo una corriente de 100 mA; es decir R = E/I = 5/0,1 = 50 Ohms. 

Pero el tester debe medir resistores de mayor valor; por eso se cambia el valor de R2 o su equivalente electrónico con la llave rotativa por un valor mayor que genera menos corriente adaptando el sistema como para medir resistores de hasta 200 MOhms.

Ahora vamos a analizar el tema de la medición de RDSon. No todos los tester son aptos (cosa que nadie dice en los videitos) pero nosotros le vamos a explicar cómo utilizar un tester de 5V de tensión interna u otro de 2V.

El nombre de lo que tenemos que medir nos indica claramente como realizar la medición. (R) Tenemos que poner el tester predestinado como medidor de resistencia (DS) debemos conectarlo entre Drenaje y Fuente (Drain y Source) y por último y lo más importante es que el MOSFET debe estar en condición de encendido (ON) para lo cual requiere una fuente de tensión positiva en la compuerta (gate) con el negativo en el terminal de Fuente.

Esta tensión debe ser superior a la tensión de encendido del MOSFET que varia por cada modelo. Inclusive hay dos tipos de MOSFET: los clásicos y los de baja carga. La palabra carga está aquí aplicada con referencia al capacitor de entrada Cin. La familia de baja carga puede tener capacidades del orden de 100 pF para un 10A x 50V cuando un MOSFET clásico tiene unos 500 pF. Cuando se fabrica un MOSFET de baja carga se consiguen además tensiones de conducción del gate (VGSon) de 1,5 a 2,5V medida a 1mA de corriente por él canal.

Los pasos a seguir para hacer una correcta medición son:

1) Debe saber cuál es la tensión interna de su tester. Para ello debe medirla con otro tester digital o analógico. Ponga el tester a probar en la escala de óhmetro mas baja (casi siempre 200 Ohms). Conecte el otro tester negativo con negativo y positivo con positivo y en medición como voltímetro. Seleccione la escala más adecuada (en general 20V) y ya sabe a qué tensión mide su tester. Vamos a suponer que es de 2V y por lo tanto que requiere ayuda externa con una fuente de 9V que generalmente es una batería de 9V con dos puntas.

2) Tome la fuente externa recién construida y cargue el capacitor Cin con 9V. Para ello solo debe conectar la fuente entre la "compuerta" (rojo +) y el terminal de "fuente" (negro -). Ahora puede desconectar la fuente auxiliar por Cin mantendrá la carga aplicada.

3) Tome el tester digital predispuesto como óhmetro en escala de 2K y conecte el cable negro al terminal de "Fuente" y el cable rojo a drenaje. Lea en el display RDSon y compárelo con la especificación del MOSFET que en el caso de un BUZ71a será de 0,1 a 0,12 OHms en la escala de 200 Ohms. Nota: es conveniente que para esta medición se utilice un para de puntas especiales fabricadas con cable de electricidad de 4 mm2 y clips cocodrilos grandes porque los tester mas económicos suelen utilizar cables de prueba con una resistencia de 0,6 o 0,7 OHms que enmascaran la medición que queremos realizar. Un cable de 4 mm2 de 1/2 metro de largo puede tener una resistencia de 0,1 OHms que debemos descontar de la medición efectuada. ponga las puntas del tester en cortocircuito, observe que resistencia tienen las puntas solas. Descuéntelas de la medición de RDSon.

4) Si su tester trabaja con más de 4V no requiere la fuente auxiliar externa. El procedimiento es en todo similar pero en lugar de cargar el capacitor Cin con la fuente auxiliar lo hacemos con el mismo tester como óhmetro tocando la patas del terminal de fuente con la punta negra y al mismo tiempo la pata roja con el terminal de compuerta. Asi cargamos el capacitor Cin que queda cargado y cerrando el camino de circulación. Ahora medimos la resistencia entre el terminal de fuente y el de drenaje que seguirá indicando su bajo valor mientras Cin permanezca cargado. 
5) Haga un cortocircuito momentáneo entre Compuerta y Fuente y observe que la resistencia entre Drenaje y Fuente aumenta de tal modo que debe ajustar la perilla de escalas para poder medir la resistencia. La resistencia medida es RDSoff y para el BUZ71 es superior a 50 KOhms.

2.4 CONCLUSIONES

En este artículo explicamos lo que no explican otros autores. O Ud. vio que alguno le dijera que no todos los tester sirven para hacer esta medición y que si un tester no sirve, solo se necesita usar una batería de 9 V con sus puntas de prueba. O le indicaron que las puntas de prueba normales de un tester Chino tiene una resistencia tal que enmascaran cualquier medición por debajo de 5 Ohms. En realidad sería recomendable realizar la medición con un medidor de bajas resistencias que esta descripto en mi colección "La Biblia de los instrumentos especiales".

Pero yo le diría que si siguió el método indicado hasta aquí puede llevar el tester a su proveedor y medir allí lo que le están ofreciendo . Hasta ahora es lo único que puede medir en su proveedor. El resto de los parámetros son para juzgar en su laboratorio.
 
Pero hay algo que aun puede hacer en su proveedor y que no debe dejar de hacer nunca. Observar la impresión del código y el logo del fabricante. En la figura 2.4.1 podemos observar un caso de MOSFET remarcado.



   
Fig.2.4.1 MOSFET remarcado

Como detalle se puede observar que el logo es un mamarracho que no pertenece a ningún fabricante conocido y que toda la impresión está hecha con un sello muy borroso. seguramente la impresión original estaba hecha con una impresión Laser o con una bajo relieve rellenado de pintura.
En la próxima entrega le vamos a explicar como medir Cin y como modificar el circuito si no consigue un MOSFET con una Cin lo suficientemente baja ya que es difícil conseguir MOSFET de baja carga. 


PROPAGANDA:
Ud. cree que no puede hacer nada para ayudar a combatir el Covid. Lea gratis el cuento corto de CF "La parábola de Dios" y se va a percatar de que aun no está todo hecho y que nosotros podemos ayudar a salvar los olvidos de los dirigentes mundiales. Entre al link:

http://www.picerno.com.ar/leer.php?cn=200

Se dio cuenta que ahora "La Biblia del TV LED" tiene los tomos 5 y 6 dedicados a los más modernos TVs monoplaquetas.




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El Ing. Alberto Picerno, conocido en toda latinoamerica por sus cursos de Tv y LCD, es el autor mas prolífico sobre Electrónica, con mas de 40 libros tecnicos y cientos de articulos publicados. 

Se inicio en el mundo de la electronica de niño ayudando a su padre que era hobbysta y aficionado a la radio.

Su experiencia temprana le permitio recibirse con medalla de oro al mejor promedio de "Tecnico Nacional el Telecomunicaciones" y posteriormente volvio a obtener la medalla de oro al mejor promedio como "Ingeniero en electronica en UTN"

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