Chaves Controladas (IRF640)

Chaves Controladas
Por: André Tomaz de Carvalho
Conteúdo
Introdução
Escolha do tipo de chave
O Power-MOSFET IRF-640
Bibliografia
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<Vgs<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.