Carga electrónica con MOSFET, fácil

Modificado por última vez hace 2 meses

Vamos a construir una carga electrónica con MOSFET de corriente constante, fácil y con pocos componentes, para hacer experimentos.

Una carga electrónica con MOSFET es un instrumento tremendamente útil, nos permite aplicar una carga «controlada» sobre una fuente de energía como una batería, un panel solar, una fuente de alimentación, etc. y observar lo que sucede.

El abanico de usos es enorme. Podemos comprobar el correcto funcionamiento de una fuente de alimentación, comprobar baterías y su capacidad, caracterizar paneles solares y muchas cosas más…

Esta carga electrónica no solo es super fácil de construir, sino que además es super barata. Calculo que la puedes construir por menos de 5€, dependiendo de los materiales que ya tengas.

No quiero adelantar acontecimientos, pero estoy trabajando en un proyecto con ESP32 que me permita tomar un montón de datos sobre los paneles solares de forma automatizada, transmitiéndome los datos desde el exterior por WiFi.

La carga electrónica es una parte muy importante del proyecto, pero… Esto es solo el primer paso.

Motivación de la carga electrónica con MOSFET

Llevo tiempo con intención de hacer unos experimentos con microprocesadores, como Arduino, ESP8266 y ESP32, alimentados con paneles solares pero cada vez que me pongo a ello me da una pereza horrorosa porque:

  • Cada vez que hago un experimento tengo que conectar un montón de instrumentos independientes para analizar lo que está pasando. Me he llegado a ver con cuatro multímetros, una carga electrónica, un osciloscopio más el dispositivo que estoy probando (el DUT o «Device Under Test»).
  • Los experimentos se hacen al sol (claro, son paneles solares) con lo que excuso decir las molestias, el calor, el no ver la pantalla de los instrumentos a pleno sol, el no tener un sitio adecuado en el que trabajar.
  • No puedes ni ponerte una triste sombrilla (¿tapas el panel solar con una sombrilla?)
  • Ni siquiera puedes alejarte un poco con unos cables un poco largos porque son muchos cables, de muchos instrumentos.

Para analizar cómo funciona un panel solar necesitas:

  • Aplicarle una carga que sea muy estable (los paneles cambian mucho según la carga que apliques, incluso con pequeños cambios).
  • Que sea siempre igual, independientemente del voltaje que esté proporcionando el panel (y cambia muchísimo, a cada segundo, siguiendo los caprichos del sol, las nubes y la propia atmósfera).
  • Que la carga sea fácil y rápida de ajustar. No vamos a ver casi nada (al menos de lo interesante) si simplemente ponemos como carga una bombilla o un circuito electrónico que consuma a saltos y que cambie con las salidas en el voltaje del panel).

Seguro que le encontrarás un montón de aplicaciones, dependiendo del tipo de proyectos que hagas, independientemente de que yo particularmente la esté utilizando para el análisis de paneles solares.

Requisitos de la carga electrónica con MOSFET

Cómo siempre, lo mejor antes de ponerse con el diseño y/o construcción de cualquier circuito, es definir claramente los requisitos de lo que se quiere conseguir.

Esta es mi lista básica de deseos:

  1. Que sea muy fácil de construir
  2. Que tenga componentes fáciles de encontrar
  3. Que funcione en un amplio rango de intensidades, potencias y voltajes con pocos cambios
  4. Que sea fácilmente integrable en proyectos más grandes

Creo que todos los requisitos se explican por sí mismos, aunque hay algún punto que conviene detallar un poco más.

Los dos primeros requisitos son un deseo que conlleva un compromiso: Será una carga electrónica con MOSFET básica para hacer experimentos rápidos. No se persigue una gran precisión, que sea de alta potencia o que funcione en absolutamente todos los casos.

Para cumplir con el tercer requisito (que funcione en un amplio rango de intensidades, potencias y voltajes con pocos cambios), vamos a hacer un diseño básico pero que utilice un MOSFET capaz, que nos permita gestionar una potencia relativamente alta simplemente mejorando el sistema de disipación de calor (pasando de transistor al aire, a transistor con un pequeño refrigerador, añadiendo si es necesario ventilador, etc.).

Por último, para que la carga electrónica con MOSFET sea fácilmente integrable en proyectos más grandes, la vamos a hacer controlable por voltaje: Simplemente vamos a aplicar un voltaje a su entrada y la carga se ajustará a una intensidad proporcional al voltaje de control.

Eso voltaje de control podrá ser proporcionado por una vulgar resistencia ajustable (como en este diseño básico), por un Arduino, un ESP8266, ESP32, o cualquier otro controlador o microcontrolador, como una Raspberry Pi.

Espero que pronto puedas ver novedades en este sentido, con esta carga electrónica integrada en un proyecto con un ESP32.

Seguridad de la carga electrónica con MOSFET

El querer hacer una carga electrónica con un mínimo de complejidad y componentes, supone aceptar un compromiso en lo que a seguridad se refiere.

Tendremos que usar la cabeza y pensar en lo que estamos haciendo porque, para reducir la complejidad al mínimo, no dispondrá de medidas de protección (sería bueno poner un fusible, eso sí).

Hay que tener en cuenta que, en el fondo, lo que hace una carga electrónica, con o sin MOSFET, es consumir energía transformándola en calor. Eso supone que tenemos que tener siempre muy presente la temperatura de cada componente y pensar cómo va a afectar a la misma cualquier cosa que hagamos, antes de hacerla.

Si decimos a la carga que consuma un montón, y eso es más de los que el dispositivo a la que lo conectemos es capaz de soportar, podemos estropear el dispositivo.

Piensa que, si el dispositivo es una batería, y hacemos lo que no debemos, la batería puede salir ardiendo.

También podemos estropear la propia carga si le pedimos lo que no puede soportar.

No puedo dejar de repetirlo:

USA LA CABEZA. ¡UNA CARGA ELECTRÓNICA, CON MOSFET O SIN ÉL, ¡PUEDE SER PELIGROSA SI NO SE USA CORRECTAMENTE!

Esta carga no tiene ningún tipo de limitación activa (más allá de las limitaciones derivadas de su propio diseño y construcción y de los componentes utilizados).

Resumiendo: usa la cabeza y actúa con responsabilidad y bajo tu responsabilidad.

Una vez hecha la advertencia, si os digo que la carga electrónica aguanta un maltrato relativo sin estropearse. Por ejemplo, yo le he metido durante algunos segundos 3A de polaridad invertida al revés (positivo y negativo del DUT intercambiados) sin mayor problema (el MOSFET IRLZ44N aguanta hasta -16V entre Gate y Source).

El circuito elegido para la carga electrónica

Entramos en harina, viendo el circuito electrónico de nuestra carga:

Esquema de la carga electrónica con mosfet

Como puedes ver, la carga electrónica está construida con muy pocos componentes.

  • Un transistor MOSFET de Canal-N IRLZ44N. Este MOSFET es capaz teóricamente, en condiciones ideales y con una refrigeración ideal (radiador infinito), de soportar hasta 47A y 55V
  • Un amplificador operacional LM358 que será el encargado de comparar el consumo de la carga electrónica (la tensión en el punto entre el MOSFET y la resistencia R1) con la tensión que entra por la pata «+» y que depende del ajuste del potenciómetro R2.
  • Una resistencia R1 de 1Ω (o de 0.1Ω como verás más adelante)
  • Un potenciómetro o resistencia ajustable de 200kΩ

Es perfectamente posible utilizar otros componentes, si los tienes a mano. Yo los he utilizado sencillamente porque los tenía a mano y no necesitaba pedir nada y esperar a que llegara.

Uno de los problemas habituales en este tipo de cargas electrónicas sencillas, es que son propensas a auto oscilaciones. En mi caso, en todas las pruebas que he hecho con diferentes componentes y en muchas situaciones, no he encontrado ningún problema de auto oscilación.

El MOSFET IRLZ44N

Aunque no es imprescindible, y te lo puedes saltar, quiero hablarte un poco sobre el transistor MOSFET que he elegido para la carga electrónica.

Lo primero, ¿por qué lo he elegido? ¿Es que es el mejor?

Lo he elegido por un motivo de peso: porque lo tenía. Y no, no es el mejor.

Aun así, es una muy buena elección para un proyecto de este tipo y si no lo hubiera tenido, hubiera estado muy algo en la lista de MOSFETs a utilizar.

Es un MOSFET muy duro, de alta potencia, barato y bastante fácil de encontrar, incluso en los sitios baratos para makers, como AliExpress.

Estos datos lo dicen todo: una intensidad soportada máxima teórica de 47A (Id), con un voltaje máximo de 55V (Vdss) y una disipación de potencia de 110W (cuidado, estos datos son los ‘ideales‘, por ejemplo, con un disipador ‘infinito‘).

Y, sobre todo: Es un MOSFET de nivel lógico que funciona bien con tensiones en su Gate de 2.5V (Vgs) y tiene una RDS(on) de solo 0.022Ω, lo que hará que se caliente lo menos posible, y eso en nuestra aplicación es muy importante, quizá lo que más (junto con el bajo Vgs).

Según el datasheet del fabricante, el RDS(on) es de solo 0.035Ω con Vgs de 4V e Id de 21A, que está bastante dentro de nuestra zona de funcionamiento.

Como no quiero dejarte aquí un montón de información que será inútil para la mayoría, te dejo el datasheet, que para eso está:

Simulación de la carga electrónica

¿Te has fijado, por casualidad, en que el esquema tiene integrado un amperímetro en serie con el DUT?

Esto es muy poco habitual en un esquema… ¡tiene incluso un valor en mA!

El motivo es que el esquema que he preparado es completamente interactivo y… ¡puedes simular el funcionamiento del circuito sin necesidad de montarlo!

Accede a esta página de CircuitLab, y podrás cambiar valores y hacer medidas en cualquier punto del circuito.

Solo tienes que pulsar el botón «Simulate» y, por ejemplo, hacer doble click en el potenciómetro R2. Cambia el valor «K» por cualquier valor entre 0 y 1 (pon por ejemplo 0.02 que es como si el potenciómetro estuviera girado un 2%) y mira cómo cambia el amperímetro. Asegúrate de utilizar varios decimales.

Podrás ver como, por ejemplo, casi toda la variación en la carga se produce en el primer 10% del giro del potenciómetro.

También verás que la carga máxima es de algo menos de 600mA (más que suficiente como carga para los pequeños paneles solares que quiero analizar).

Puedes ver las medidas (voltaje, corriente y más) en cualquier punto del circuito solo poniendo el puntero del ratón en ese punto.

Pon en ratón sobre en MOSFET y la resistencia. ¡Podrás ver incluso la potencia disipada por esos componentes en tiempo real, según cambias los valores!

No te pierdas ver cómo cambia el comportamiento de la carga electrónica cuando cambias el valor de la resistencia R1 de 1Ω por 0.1Ω (más adelante hablaremos más de ello y de las pruebas que he hecho al respecto).

Como ves, este practico simulador, te permitirá muy con mucha facilidad, decidir cómo quieres que funcione la carga, en base a tus necesidades.

¿Cómo funciona la carga electrónica?

Como sabes, no me gusta simplemente ‘dar recetas’ para hacer algo sin que sepas qué hace y aprendas por el camino.

Me gusta explicarlo de una forma entendible para que cualquier persona, aunque tenga muy pocos conocimientos, sea capaz de comprender cómo funciona el circuito y el porqué de las cosas.

De esta forma espero que mis artículos aporten valor y que sean didácticos y permitan aprender al aficionado de una forma fácil.

A grandes rasgos (y a continuación iremos entrando en detalle), lo que hace la carga electrónica es lo siguiente:

  • Mide la posición del potenciómetro, donde indicamos la intensidad que queremos que consuma la carga, y genera un voltaje proporcional a la posición del potenciómetro (llamémosle «voltaje de referencia«).
  • Mide la corriente que está circulando por el MOSFET de la carga electrónica y la convierte en un voltaje proporcional a dicha corriente (llamémosle «voltaje de medida«).
  • Compara ambos voltajes y genera un tercer voltaje, que es la diferencia del primer voltaje menos el primero (llamémosle «voltaje de control«). Introduce este voltaje en el Gate del MOSFET.

La carga electrónica utiliza dos divisores de tensión resistivos para calcular el voltaje de referencia y el voltaje de medida por lo que es importante que, si no estás familiarizado con qué es un divisor de tensión resistivo y cómo funciona y se calcula, leas el siguiente punto atentamente.

¿Qué es un divisor de tensión, para que se utiliza, cómo funciona y cómo se calcula?

Un divisor de tensión es un circuito formado por dos resistencias conectadas en serie entre una fuente de voltaje. Este tipo de circuito se utiliza para obtener una fracción del voltaje de entrada en la conexión entre las dos resistencias. La fórmula general para calcular un divisor de tensión es:

V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \cdot \left( \frac{R_2}{R_1 + R_2} \right)

Donde:

  • V_{\text{out}}​ es el voltaje de salida.
  • V_{\text{in}}​ es el voltaje de entrada.
  • R_1​ es la resistencia conectada al voltaje de entrada.
  • R_2 es la resistencia conectada entre la salida y el voltaje común (tierra).

Si conoces tres de estos valores, puedes utilizar la fórmula para calcular el cuarto. Aquí te dejo las variantes de la fórmula para cada parámetro:

Calcular el Voltaje de Salida (V_{\text{out}}):
V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \cdot \left( \frac{R_2}{R_1 + R_2} \right)

Calcular el Voltaje de Entrada (V_{\text{in}}​):
V_{\text{in}} = \frac{V_{\text{out}} \cdot (R_1 + R_2)}{R_2}

Calcular la Resistencia R_1​:
R_1 = R_2 \cdot \left( \frac{V_{\text{in}} - V_{\text{out}}}{V_{\text{out}}} \right)

Calcular la Resistencia R_2​:
R_2 = R_1 \cdot \left( \frac{V_{\text{out}}}{V_{\text{in}} - V_{\text{out}}} \right)

Lo mejor para comprenderlo, como siempre, es ver un ejemplo sencillo, con números fáciles:

Cálculo de divisores de tensión resistivos

Estos cálculos son útiles al diseñar circuitos en los que necesitas reducir un voltaje de entrada a un nivel específico. Es importante tener en cuenta que la carga conectada a la salida del divisor de tensión afectará al voltaje de salida real. Además, se deben seleccionar resistencias que estén disponibles y sean prácticas para tu aplicación.

Voltaje de referencia

El voltaje de referencia lo sacamos del divisor de tensión que forman las dos ramas del potenciómetro R2.

Este potenciómetro, que es de 200kΩ en nuestro esquema, lo podemos ver como dos resistencias que suman entre las dos 200kΩ y que, cambiando el ajuste del potenciómetro, cambiamos el «punto intermedio entre las resistencias».

Te dejo la siguiente modificación del esquema, para que me sigas:

Divisor de tensión de la carga electrónica

Podrías ver nuestro potenciómetro como dos resistencias separadas (R3 y R4) que pueden tener cualquier valor entre 0 y 200kΩ, con la particularidad de que ambas siempre suman 200kΩ (siempre X+Y=200).

Esto es extensible a cualquier potenciómetro, por supuesto, y en muchas ocasiones te resultará útil imaginarlas de esta manera para comprender un circuito.

Ahora que ya sabemos de qué se trata, imagina que el potenciómetro está justo a la mitad: El voltaje en el terminal «+» será de 2.5V

¿Por qué?

Porque como hemos visto antes: V_{\text{out}} = V_{\text{in}} \cdot \left( \frac{R_2}{R_1 + R_2} \right), de manera, que sustituyendo con nuestros valores tendríamos: V_{\text{out}} = 5V * \frac{100k}{100k + 100k} = 2.5V

Medición de la corriente

Lo primero que tenemos que hacer es medir la corriente que pasa por el MOSFET de la carga electrónica (la corriente que viaja entre el punto «+ Load» y GND.

Realmente la corriente nunca (casi nunca) se mide directamente, lo que realmente se hace es medir la caída de tensión en una resistencia conocida (y así es como lo mide tu multímetro, por ejemplo).

Esto es muy fácil de hacer con la ley de Ohm.

La ley de Ohm nos dice que: I = \frac{V}{R}

Tenemos una resistencia para medir la corriente que es R1 y que tiene un valor de 1Ω.

De acuerdo con la formula, si pasara por esta resistencia una intensidad de 1A se generaría entre sus terminales una tensión de 1V.

Si midiéramos una tensión de 0.53V (530mV), la corriente que la estaría atravesando sería de 0.53A (530mA).

En este caso es muy fácil porque lo que vamos a utilizar es la tensión directamente, ni siquiera necesitamos aplicar la formula y calcular la intensidad.

Voltaje de control

Con los dos voltajes anteriores, que ya hemos calculado y que hemos visto que es muy fácil, vamos generar una tensión de control, que será la que aplicaremos al Gate del MOSFET, directamente y sin modificaciones…

Esta señal de control tiene un voltaje que es: el voltaje de referenciael voltaje de medida.

El amplificador operacional LM358

Generar este voltaje es muy fácil ya que nos lo hace el circuito integrado LM358 que estamos utilizando, un Amplificador Operacional.

Los Amplificadores Operacionales, hacen justo lo que su nombre indica: amplifican señales y operan con ellas (sumas, restas, etc).

Tienen dos entradas y una salida: metemos un voltaje por la entrada «+» otro por la entrada «-» y en la salida nos proporcionará el primero menos el segundo.

La magia está en que con esto conseguimos que los voltajes se igualen justo en el punto en el que la intensidad es la que queremos.

El circuito integrado LM358 tiene dos amplificadores operacionales en su interior, aunque en este caso solo utilizaríamos uno:

Ejemplo de funcionamiento en la carga electrónica

Aquí te presento un ejemplo práctico que ilustra una idea bastante sencilla:

Para lograr una corriente de 1A, aplicamos 1V a la entrada no inversora y medimos el voltaje generado en nuestra resistencia en la entrada inversora.

Cuando el voltaje en la entrada no inversora (la referencia de intensidad deseada) supera al voltaje en la entrada inversora (la medición de la intensidad presente), la salida (el voltaje de control) se vuelve positiva, siendo más alto cuanto mayor sea la diferencia.

Dado que el voltaje de control está conectado a la compuerta del MOSFET, este conduce más, aumentando la intensidad y, por ende, el voltaje medido.

Cuando el voltaje en la entrada no inversora es menor que el voltaje en la entrada inversora, la salida se establece en cero. En este caso, el MOSFET deja de conducir, disminuyendo la intensidad y elevando el voltaje medido.

Este ciclo se repite continuamente a una velocidad sorprendente. Visualiza en tu mente este proceso sucediendo de manera ininterrumpida y a gran velocidad.

En consecuencia, el amplificador operacional genera el voltaje de control necesario (incrementándolo o disminuyéndolo) para igualar el voltaje medido al voltaje de referencia. Como resultado, la intensidad coincide precisamente con la que hemos seleccionado mediante el voltaje de control.

¿Qué más hace un amplificador operacional?

Por supuesto, un amplificador operacional es capaz de hacer muchas otras cosas, pero me he centrado en lo que hace en nuestro circuito, que es lo que nos interesa. Quizá otro día, escriba un artículo completo sobre el funcionamiento de estos pequeños amigos que tanto ayudan.

Por cierto… hemos visto al amplificador operacional realizando operaciones, pero ¿y eso de que amplifica? Si, en nuestro caso por 1 (por -1 realmente), aunque ya te adelanto que, para otros usos, son capaces de amplificar las señales cientos o miles de veces (la ganancia del LM358 es de más de 100.000).

De momento, si quieres puedes aprender más sobre amplificadores operacionales en la Wikipedia.

Primeras pruebas de la carga electrónica

Lo primero que hice fue montar el circuito en una protoboard para comprobar que funcionaba correctamente, hacer las primeras mediciones y validarlo.

Aquí puedes ver el setup que monté para las primeras pruebas:

Pruebas de la carga electrónica con mosfet en protoboard

Básicamente el circuito pelado con un montón de puntas de prueba para medir varios parámetros de funcionamiento simultáneamente…

Está conectado a…

El osciloscopio

Osciloscopio midiendo entradas y salida de amplificador operacional

Tres canales del osciloscopio, donde puedo ver al mismo tiempo:

  • El voltaje en el punto entre el MOSFET y la resistencia R1 (intensidad de la carga electrónica)
  • El voltaje de entrada al terminal «+» del amplificador operacional
  • El voltaje a la salida del amplificador operacional.

La fuente de alimentación

Una fuente de alimentación de laboratorio ajustada a 5V y con su corriente limitada a 10mA, que alimenta el circuito.

Limitar la fuente de alimentación del circuito a solo 10mA durante las primeras pruebas permite detectar si hay algún problema (por ejemplo, en el cableado), sin que nada se queme o estropee.

10mA es mucho más de lo que el circuito necesita para funcionar (realmente consume bastante menos de 1mA).

El DUT (Device Under Test)

Una segunda fuente de alimentación de laboratorio ajustada a 5V y limitada a 100mA, que actúa como DUT («Device Under Test», o dispositivo bajo prueba). Dicho de otra forma, es el «dispositivo que estoy «probando«) y que puede ser sustituido por una batería, un panel solar, etc…

Poderla limitar, en este momento inicial de las pruebas, a 100mA es muy interesante porque no tengo puesto ningún tipo de refrigeración en el MOSFET y de esta forma no tengo que preocuparme por si se calienta o hay algún problema y la carga se pone en corto (pasando por ella un montón de amperios descontroladamente).

Una vez hechas las primeras pruebas, subí la limitación de la fuente que actuaba como dispositivo bajo prueba (DUT) hasta los 2A para probar la carga electrónica durante breves periodos de tiempo.

El multímetro

He utilizado el multímetro para hacer medidas varias en diferentes puntos del circuito.

En el momento en el que tomé esta fotografía estaba midiendo el voltaje en el Gate del MOSFET.

Una vez hechas las primeras pruebas y viendo que todo es satisfactorio, es el momento de crear un circuito un poco más limpio y permanente que me permita seguir avanzando…

La carga electrónica con MOSFET en perfboard

No voy a crear una placa de circuito impreso a medida para la carga electrónica, pero sí que es interesante conseguir un montaje un poco más aparente, así que lo voy a instalar todo en una perfboard, tratando de que sea un montaje lo más compacto posible.

Diagrama de montaje en perfboard

En esta ocasión me lo he trabajado un poquito más de lo que lo hago normalmente (para que te sea más fácil montarla, si quieres hacerlo), y he documentado mejor su construcción, aparte de crear unos bonitos diagramas 😉. Te agradecería que me dejes tu opinión en los comentarios.

Diagrama de montaje carga electrónica con mosfet
Carga electrónica con MOSFET en perfboard

Para que te resulte más sencillo montarla, te dejo también las vistas con solo componentes:

Carga electrónica con MOSFET en perfboard (solo componentes)

y con solo el cableado:

Carga electrónica con MOSFET en perfboard (solo conexiones)

Yo creo que, con estas imágenes, y con las fotografías que te dejo a continuación, el montaje no puede ser más sencillo.

Montaje en perfboard

En la primera fotografía puedes ver los componentes ya soldados en su lugar.

Carga electrónica con mosfet en perf-board

Como verás he hecho algunas modificaciones, en base a mis necesidades:

  • He dejado una línea libre entre el amplificador operacional y los componentes de la primera línea (potenciómetro y componentes). Esto me facilitará hacer algunas pruebas.
  • He utilizado para el conector del dispositivo a probar (el DUT) un conector de tres pines, en lugar de dos, para una modificación que tengo prevista.
  • Como no tenía disponible un potenciómetro de montaje vertical, he usado uno de montaje horizontal y lo he colocado en vertical doblando sus patillas y extendiendo la central.
  • He dejado una parte de placa sin usar a la izquierda para poder montar más componentes en el futuro.

A la hora de «cablear» la perfboard, lo he hecho en dos pasos para reducir la posibilidad de equivocarme u olvidarme algo:

Primero he «cableado» solamente las líneas de positivo y negativo (y la pata central del potenciómetro, ya que estaba allí).

Después he cableado el resto (solo quedaban los tres cables de colores).

Separándolo de esta manera cada paso es muy sencillo y es más difícil confundirse o perderse.

Este es el resultado de la carga electrónica terminada:

Carga electrónica con mosfet terminada

Conexiones

Como verás, he incluido un conector hembra de 2 pines para la resistencia R1 (zona izquierda, no conectada en este momento), lo que me permitirá cambiarla rápidamente para hacer pruebas.

La alimentación de la carga electrónica es en conector delantero de dos pines (el cable violeta para «+» y azul para «-«).

El conector/terminal delantero de tres pines corresponde a la conexión del DUT (cable marrón para «-» y rojo para «+»).

Te dejo los siguientes comentarios sobre la construcción:

  • Modifica la distribución según tus componentes, necesidades y preferencias. ¡No tengas miedo de experimentar!
  • En general puedes utilizar cualquier cablecillo fino para hacer las conexiones, pero piensa que hay algunas que soportan cierta corriente y que deberás ponerle un cable adecuado a esa intensidad (Source, Drain, ambos lados de la resistencia R1 y las conexiones al dispositivo que estás comprobando, el DUT).
  • Un detalle: el potenciómetro funciona al revés de lo que intuitivamente debería funcionar (girado completamente en sentido horario la carga está al mínimo de intensidad). Si a ti esto te preocupa, simplemente invierte el cableado en los extremos (el extremo que va a «+» y el extremo que va a GND).

Pruebas de temperatura

Un diseño de carga electrónica no estaría completo sin algunas pruebas de temperatura de los componentes, especialmente del MOSFET y de la resistencia de 1Ω.

Pueden faltar muchas pruebas, pero no las de temperatura.

Hay que, al menos, poner el dedo en los componentes (también cuando la carga electrónica lleva ya un tiempo funcionando a la máxima potencia a la que se la va a hacer funcionar), y comprobar cómo están las cosas.

Estos componentes pueden funcionar muy calientes sin que pase nada, pero todo tiene un límite. Si eres capaz de poner el dedo y aguantarlo cinco segundos, todo está bien (pueden alcanzar sin problemas mucha más temperatura de la que el dedo de Carlos Arguiñano soportaría un instante).

En este caso, en vez de utilizar el dedo, he utilizado el móvil con una cámara térmica VICTOR VC328B (una de las mejores adquisiciones que he hecho últimamente, la verdad) para ver realmente cómo están las cosas.

Pruebas de temperatura sin disipador

En esta prueba, con una carga de algo menos de 2W (350mA y 5V), y R1 de 0.1Ω, a los pocos minutos la temperatura del MOSFET se estabilizó en unos 110ºC.

Temperatura del mosfet de la carga electrónica

Pruebas de temperatura con disipador pequeño

Con un disipador pequeño, de solo 15x10x22mm las cosas han mejorado bastante.

Es posible ajustar la carga a 5W (5V y 1A) durante varios minutos (lo he tenido unos 10) y la temperatura del MOSFET ronda los 120ºC.

La he probado con corrientes de 2A y 3A durante periodos cortos sin ningún problema, lo que significa que para las pruebas que se suelen hacer con los cargadores de móvil normales, que duran pocos segundos o un minuto, a lo sumo, es suficiente con este pequeño disipador.

Estas pruebas han sido hechas con una resistencia de 0.1Ω 5W. La resistencia durante la prueba de 5V y 1A ha llegado a los 40ºC, aproximadamente.

Pruebas de temperatura con disipador mediano

He puesto este disipador de tamaño mediano porque es el que tenía. Está recuperado de una vieja fuente de alimentación de PC Corsair GS700 por lo que no tengo datos técnicos.

Con este ventilador, la carga ha estado ajustada a 2A 5V (unos 10W) durante, al menos 10 minutos, y la temperatura se ha estabilizado en unos 110ºC.

He podido comprobar haciendo pruebas con 3A 5W que la carga funciona perfectamente, aunque la temperatura llega a los 120ºC en unos dos o tres minutos.

Esta prueba ha sido hecha con la resistencia de 0.1Ω 5W y la temperatura durante la prueba de 5V y 2A ha llegado a los 55ºC, aproximadamente.

Efecto de la alimentación del gate en la temperatura

Es curioso (aunque no sorprendente, porque ya lo hemos comentado muchas veces en el blog) ver como la temperatura del MOSFET era mucho más baja cuando el gate estaba alimentado directamente por una señal PWM, que cuando el MOSFET está alimentado por una corriente continua pura (o casi pura, de señal PWM con filtro paso bajo).

Aquí se nota que el MOSFET, cuando está alimentado por la señal PWM pura, funciona en la zona de saturación y su RDS(on) es mucho más baja, y por tanto su disipación térmica.

Hablamos de que la temperatura del MOSFET con la carga ajustada a 5V 1A (5W) era de 60ºC al utilizar una señal PWM pura y de unos 100ºC al introducir el filtro paso bajo.

Conclusiones tras las pruebas de temperatura

Como ves para cualquier uso un poco «serio» tendrás que poner un disipador al MOSFET.

En mi caso no creo que necesite disipador, de momento (o en todo caso el pequeño), porque los mini paneles solares que quiero analizar son de entre 1 y 2W y, sobre todo, porque las pruebas no van a ser continuas, sino solo de algunos segundos cada cierto tiempo (se trata de un muestreo).

Esto es solo un aperitivo sin mucho rigor ni utilidad, solo para adelantar un par de ideas.

En breve te dejaré más medidas, con más datos que espero que resulten de utilidad.

Mi idea es hacer un video al respecto, no sé si para este artículo o para el de la carga electrónica controlada por ESP32.

Resistencia de 1Ω o de 0.1Ω

La elección de la resistencia determina el comportamiento de la carga electrónica.

No hay una mejor que otra. Cada una tiene sus ventajas e inconvenientes.

Yo mismo estoy encontrando que según lo que quiera hacer estoy utilizando la resistencia 1Ω o la de 0.1Ω, sustituyendo una por otra.

Una resistencia de 0.1Ω nos permite aumentar la intensidad a la que la carga es capaz de funcionar. Con la de 1Ω es difícil pasar de 1A a 5V, con la de 0.1Ω podemos alcanzar varios amperios sin problema.

Otra diferencia está en que con la resistencia de 0.1Ω el voltaje que tenemos que aplicar en el gate del MOSFET es 10 veces más pequeño y esto supone que, independientemente del método que utilicemos para generarlo (PWM, DAC o MCP4725 tenga 10 veces menos resolución, con lo que la intensidad que ajustemos con cada «paso» de voltaje de control será 10 veces menor.

Con la resistencia de 1Ω y utilizando un MCP4725 a 12 bits, cada escalón puede suponer 1mA de variación, mientras que con la de 0.1Ω será de 10mA, aproximadamente.

Resumiendo, ¿quieres precisión, pero menos de 1A? Usa la de 1Ω. ¿Quieres más intensidad, aún a costa de menos precisión? Usa la de 0.1Ω.

Ten en cuenta también que estos resultados son dependientes del MOSFET utilizado. Si usas un MOSFET diferente al IRLZ44N esto variará.

Video explicativo de la carga electrónica con MOSFET

A continuación, te dejo, como complemento a este artículo, un video en el que puedes ver una explicación general de la carga electrónica.

Hacer estos videos lleva mucho trabajo. Si te gusta el video no te olvides de darle a «Me gusta» y suscribirte al canal. Eso me motivará a seguir haciendo más videos como este.

Material de laboratorio que he utilizado y que recomiendo

👉 Multímetro OWON XDM2041

👉 Cámara térmica VICTOR VC328B

👉 Fuente de alimentación MLINK DPS3005

👉 Fuente de alimentación RIDEN RD6006W

👉 Osciloscopio Rigol DS1054Z en Amazon España

¿Y ahora qué?

Quedan muchas pruebas y modificaciones por hacer, por lo que espero que este artículo siga creciendo con nueva información.

Aumentar la intensidad máxima

Con la carga electrónica alimentada a 5V (lo que es muy conveniente), el MOSFET IRLZ44N utilizado y la resistencia de 1Ω, la intensidad máxima de la carga electrónica no llega a 600mA.

Hay varias posibilidades para aumentar la intensidad:

  1. Subir la alimentación, lo que es poco conveniente para el uso que le voy a dar. Alimentar la carga electrónica a 5V es muy cómodo.
  2. Seleccionar otro MOSFET que me permita tener mayor intensidad con la carga alimentada a 5V y la resistencia de 1Ω.
  3. Reducir el valor de la resistencia R1. Solo con sustituir la resistencia de 1Ω por otra de 0.1Ω, multiplicamos la corriente máxima por 10. Es la solución más sencilla.

He hecho alguna prueba rápida sustituyendo la resistencia por una de 0.1Ω y todo funciona perfectamente y, como estaba previsto, la intensidad es mucho más alta (yo la he probado hasta 3A durante breves periodos de tiempo y ha funcionado perfectamente).

Si hubiera hecho más pruebas con la resistencia de 0.1Ω es posible que la hubiera puesto en el diseño como resistencia por defecto. No lo he hecho aún porque 600mA es más que suficiente para mis necesidades actuales y no me corre prisa.

Hacer el divisor de tensión del voltaje de referencia asimétrico

Ahora mismo el divisor de tensión está formado por un simple potenciómetro de 200K, pero no se está usando el rango completo de movimiento. Casi toda la variación en el voltaje de referencia útil está en el primer 10% o así.

Quiero incluir una resistencia fija en una de las ramas para que el rango de variación de la resistencia sea menor y permita utilizar, al menos, el 80% del recorrido del potenciómetro.

No lo he hecho aún porque al fin y al cabo no pienso utilizar esta carga electrónica con el potenciómetro más que para las pruebas iniciales. Luego estará controlada por microprocesador. Ni siquiera lo he probado en el simulador para ver, en teoría, que resistencia debería poner.

Controlar la carga electrónica por microprocesador

También espero, como he dejado entrever, publicar un proyecto más completo en la que utilizaré esta carga electrónica, y otros elementos, junto a un ESP32 para analizar el funcionamiento de paneles solares.

Ya he hecho algunas pruebas con la carga controlada por un ESP32 y los resultados han sido muy buenos.

Más información

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