Chaves Controladas Por: André Tomaz de Carvalho



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Encontro26.07.2017
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Chaves Controladas

Por: André Tomaz de Carvalho

Conteúdo


Introdução

Freqüentemente surge a necessidade de controlar o chaveamento de  circuitos eletrônicos. Por exemplo, ao acionar remotamente a bobina de um relé, ao controlar um motor de passo, ou ainda ao implementar conversores CC/CC e CC/CA , faz-se necessário estabelecer lógicas de abertura e fechamento de chaves em circuitos.

Chaves controladas são dispositivos semicondutores capazes de interromper, estabelecer e conduzir corrente elétrica em um circuito de acordo com determinados sinais de controle.

Idealmente, as chaves controladas têm as seguintes características desejáveis:


  • Desligadas, bloqueiam grandes tensões de polarização direta e reversa com corrente de fuga igual a zero.

  • Ligadas, conduzem grandes correntes com queda de tensão igual a zero.

  • Ao serem disparadas, chaveiam instantaneamente do estado ligado para desligado e vice-versa.

  • Requerem desprezível potência do circuito de controle para serem disparadas.

Naturalmente, tais dispositivos têm na realidade limitações. Dentre os diversos dispositivos semicondutores disponíveis, a escolha do tipo de chave deve ser feita de acordo com as características de cada projeto especificamente. 

Escolha do tipo de chave

A primeira consideração em um projeto deve ser qual o tipo de chave adequado: transistores bipolares (controlados por corrente), IGBTs, MOSFETs, etc. Para avaliar corretamente a necessidade de um ou outro tipo de chave, deve-se ter em conta que há um compromisso entre a freqüência de chaveamento e a potência elétrica conduzida. 

A Tabela-1 compara diversos tipos de chaves controladas quanto a suas potências e velocidades.

Tabela-1 - Comparação entre tipos de chaves controladas.


Dispositivo

Capacidade de Potência

Velocidade de Chaveamento

Transistor Bipolar

média

média

MOSFET

baixa

rápida

GTO

alta

lenta

IGBT

média

média

MCT

média

média

Tendo em vista a natureza e as dimensões dos projetos aqui discutidos, e como quase sempre buscaremos operar com potências e freqüências relativamente baixas, qualquer tipo de chave dentre as mencionadas satisfaria nossos requisitos. No entanto, sugerimos o MOSFET como chave preferencial em nossos projetos pelos seguintes motivos:

  • Baixo custo;

  • É comumente encontrado no mercado;

  • É controlado por tensão, o que simplifica seu circuito de acionamento;

  • Atinge elevadas freqüências de chaveamento, podendo chegar a 1MHz;

  • Não drena corrente do circuito de acionamento, o que redunda em uma proteção do mesmo.

Sendo assim, o gate de um MOSFET  poderia até mesmo ser ligado diretamente a um pino de saída da porta paralela (Obs: não recomendamos!), visto que este não drenaria corrente da porta, podendo ser acionado com um nível lógico TTL de 5 Vots.

Portanto, dado que trabalharemos com baixas potências, o MOSFET leva vantagem sobre outros tipos de chave principalmente quanto a sua velocidade. Para potências maiores (acima de 200A), outro tipo de chave deverá ser especificado.

O Power-MOSFET IRF-640

Concretamente, na maioria das aplicações do GEDAE o IRF-640 tem sido utilizado com grande proveito dos resultados.

Trata-se de um Power MOSFET de canal-N, o qual possui as seguintes características:


  • Potência nominal: 50W

  • Corrente Ids: até 18A 

  • Tensão Vds: até 200V 

  • Resistência de condução Rds:  0,180 Ohms

  • Tensão mínima de acionamento Vgs = 2 V (valores tolerados: -20V

Obs: Note que a chave pode ser controlada por níveis lógicos TTL.

 






Fig.1 - Pinagem e Símbolo do IRF-640.

 

O funcionamento do componente é muito simples. Uma vez ligado como sugere a Fig.2, sempre que uma tensão de disparo Vgs for aplicada pelo circuito de controle, o MOSFET fechará o circuito de potência no sentido D-S. Igualando Vgs a zero, outra vez a chave abre-se e o circuito de potência é interrompido.





Fig.2 - Ligação típica do IRF-640.

 

Dica: é necessário colocar o resistor Rg entre os terminais gate e source para que a tensão Vgs possa cair para zero quando o circuito de controle determinar que a chave se abra. Do contrário, permanece uma tensão residual no gate como se este fosse um capacitor carregado. Procure portanto acionar a chave utilizando a tensão sobre um pequeno resistor. 

Note ainda que há um diodo de polarização reversa no próprio encapsulamento do transistor. Isso é muito conveniente ao chavearmos bobinas (relés, motores de passo,etc.), pois resolve o problema dos picos de tensão nos indutores submetidos a chaveamento. 

A presença do diodo pode inclusive auxiliar na identificação da pinagem do componente, caso você tenha esquecido.



Atenção: note que este dispositivo chaveia correntes em um só sentido. Não tente, portanto, chavear correntes alternadas ou negativas. Para isso, use um relé.

Mais informações, veja aqui o data sheet: IRF-640.pdf



Bibliografia

MOHAN, Ned; Power Electronics: Converters, Aplications and Design/ Ned Mohan, Tore M. Underlard, William P. Robbins. Ed. Wiley, Toronto, 1989.


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