Os transistores de efeito de campo de potência (Power FETs) apresentam características excepcionais para projetos que tratam do controle de correntes elevadas. No entanto, as características diferentes desses componentes dificultam seu aproveitamento pelos projetistas que, desconhecendo-as, não sabem como obter o máximo que eles podem fornecer. Neste artigo reunimos uma boa quantidade de aplicações básicas que podem servir de ponto de partida para novos projetos.
Os transistores de efeito de campo de potência são componentes ideais para a comutação e amplificação de sinais de alta potência com frequências de até algumas centenas de quilohertz.
Sua utilização em fontes chaveadas, etapas de saída horizontal de televisores e monitores de vídeo, além de amplificadores de áudio de altíssima qualidade, faz com que estejam disponíveis no mercado, podendo ser encontrados com certa facilidade.
Entretanto, esses componentes também podem ser usados em algumas aplicações pouco comuns, e por isso dificilmente são encontrados em circuitos comerciais.
Para o leitor que faz projetos, conhecer estas aplicações pouco comuns (algumas muito simples) pode ser muito interessante, pois o baixo custo de tais componentes que podem operar com. correntes muito altas, faz com que eles substituam relés, transistores comuns, triacs e até SCRS muitos deles de custo bem mais elevado.
As Características dos Power FETs
Os Power-FETs. MOSFETs de potência ou FETs de potência podem ser de canal N ou P, conforme mostrado na figura 1.
Os de canal N são os mais comuns, sendo polarizados de acordo com a figura 2.
Quando uma tensão positiva (que não pode superar em 20 V a tensão de fonte (source) é aplicada na comporta, o transistor pode conduzir uma corrente muito intensa entre o dreno e a fonte.
Na figura 3 temos a característica de transferência deste componente que possui uma região algo linear, o que possibilita sua utilização como amplificador de sinais (sem o problema do crossover dos transistores bipolares).
Na condução, a resistência entre o dreno e a fonte pode cair a valores extremamente baixos (menos de 1 ohms), o que significa uma dissipação de potência muito pequena e a possibilidade de controlar correntes muito altas.
São comuns os FETs de potência com correntes de dreno superiores a 10 A e tensões máximas entre dreno e fonte acima de 200 V.
O sinal aplicado à entrada, por outro lado, consiste praticamente em tensão pura, pois como a impedância de entrada é extremamente elevada, não há circulação de corrente.
No entanto, nem tudo é bom no transistor FET.
A região de comporta, para controlar um fluxo elevado de corrente, tem dimensões razoáveis, o que leva a uma capacitância muito alta de entrada (capacitância de Miller e parasitas), que pode chegar a mais de 1 nF em alguns tipos.
Isso reduz a velocidade de operação do componente que não vai além de alguns MHz, e também baixa a impedância de entrada quando ele for excitado com sinais de frequências mais elevadas.
Um outro problema, é que isso torna o componente algo "duro" para comutar, exigindo circuitos especiais para esta finalidade.
Conforme mostra a figura 4, deve se ter um circuito suficientemente ágil para carregar rapidamente a capacitância de comporta, de modo que o transistor comute no tempo desejado.
APLICAÇÕES ISOLADAS
Estas características de "dureza" na comutação fazem com que, na maioria das aplicações, os FETs sejam excitados por circuitos apropriados, e quase nunca usados sozinhos como componentes básicos de um circuito.
Todavia, isso é possível, e é justamente o que veremos nos blocos básicos para projeto dados a seguir.
Observamos que estes circuitos partem todos de FETs básicos de canal N como o IRF830, lRF640 ou outros, desde que a corrente da carga seja compatível com suas características.
a) Timer
Na figura 5 temos um interessante circuito temporizador para uma lâmpada que pode ser usada como luz de cortesia para carro, por exemplo.
Pressionando S1, o capacitor carrega-se levando o transistor à condução por um tempo que depende do valor de C1, e também de R1.
Evidentemente, outros tipos de carga podem ser usados, tais como motores, solenóides, eletroímãs, elementos de aquecimento ou refrigeração (efeito Peltier), etc.
Para os valores indicados, temos uma temporização de até alguns minutos.
b) Dimmer de toque DC
O circuito da figura 6 possibilita o controle de brilho de lâmpadas de 6 a 12 V (para uso automotivo), ou ainda velocidade de um pequeno motor pelo toque em sensores;
Tocando no sensor S1, o capacitor carrega-se via resistor de 1 M ohms e, à medida que a tensão nas suas armaduras se eleva, a tensão sobre a carga aumenta.
Quando se deixa de tocar no sensor, a tensão é mantida no capacitor por muito tempo (graças à elevada impedância de entrada do FET), o que garante que o brilho da lâmpada se estabilize.
Para diminuir o brilho, toca-se em S2 quando o capacitor descarrega-se via resistor ao mesmo tempo em que a corrente na carga diminui.
O capacitor usado deve ser de excelente qualidade (poliéster) para manter a carga por um bom tempo (pelo menos algumas dezenas de minutos).
Observamos que, como a região linear de controle do FET é estreita este circuito apresenta algumas '”faixas mortas" de atuação.
c) Dimmer Comum
Para controlar o brilho de uma lâmpada incandescente DC ou mesmo a velocidade de um motor com o uso de um potenciômetro, temos o circuito da figura 7.
Os resistores de 47 k ohms e 100 k ohms são usados para compensar as faixas mortas, ou seja, em que o transistor opera fora;da região linear de controle da corrente.
d) Flip-Flop R-S
Um interessante flip-flop de potência é mostrado na figura 8.
Neste circuito, ao pressionar um dos interruptores, o transistor correspondente vai ao corte, de modo que o outro passa a conduzir a corrente, acendendo a lâmpada correspondente.
Se os interruptores forem substituídos por sensores tipo reed-switch o circuito pode ser empregado em automatismos, pois as lâmpadas podem ser trocadas por motores, solenóides ou outros elementos.
e) Luz automática
No circuito figura 9, a lâmpada acende quando a intensidade da luz que incide no LDR diminui.
O potenciômetro serve de ajuste de sensibilidade.
Um capacitor de 1 uF a 10 pF pode ser ligado em paralelo com o LDR para minimizar os efeitos dos transientes de disparo, ou seja, a passagem rápida de uma sombra diante do sensor.
As posições do LDR e do potenciômetro podem ser intercambiadas para termos um acionamento por luz.
Neste caso, para maior facilidade de ajuste, o potenciômetro deve ser reduzido para 47 K ohms ou mesmo 100 K ohms.
f) Amplificador de áudio
Uma simples etapa amplificadora de áudio que tem um rendimento razoável é vista na figura 10.
f) Amplificador de áudio
Nesse circuito, deve-se ajustar o trimpot para a polarização da comporta do transistor na sua região linear.
Isso é conseguido com a simples sensibilidade do ouvinte que não notará distorção do sinal, ou ainda com a ligação de um multímetro na entrada de modo a se obter uma corrente de repouso que seja próxima à metade da corrente máxima (120 mA aproximadamente, com alimentação de 12 V).
g) Oscilador Hartley
Embora os FETs de potência sejam algo "duros" para operarem com osciladores, isso não significa que seja impossível utilizá-los sozinhos neste tipo de aplicação.
O circuito da figura 11 é um oscilador Hartley que pode operar entre 100 e 2000 Hz com uma saída de alta potência.
Neste circuito, a frequência é determinada basicamente pelos capacitores e pelas características do transformador.
Numa montagem experimental usamos um pequeno transformador de 6 + 6 V com corrente de 500, mA, mas o leitor pode usar outros.
Para excitar um alto-falante ele pode ser ligado em série com a alimentação, conforme mostra a figura 12.
O potenciômetro é usado tanto para encontrar a faixa ideal de polarização do transistor para oscilação, como também para variar a frequência dentro de uma faixa relativamente ampla.
h) Astável de potência
Uma outra forma de gerar sinais usando FETs de potência é sugerida na figura 13.
Trata-se de um multivibrador astável excitando duas lâmpadas de modo a formar um pisca-pisca.
As lâmpadas usadas no protótipo foram de 36 W, de farol de automóvel, com excelente desempenho.
A frequência depende dos capacitores sendo que os valores indicados resultam em uma frequência aproximada 0,3 Hz.
Uma das lâmpadas pode ser substituída por um resistor fixo de 47 ohms x 5 W e os capacitores podem ser de valores diferentes para se alterar o ciclo ativo.
i) Monoestável
Um temporizador sem o problema do desvanecimento da luminosidade como ocorre em tipos que aproveitam a descarga de um capacitor, como o projeto (a), é o que faz uso de um multivibrador monoestável.
Na figura 14 temos um circuito deste tipo que pode ser usado em diversos modos de temporizações de luz ou mesmo de acionamento de dispositivos de controle.
O tempo de acionamento depende do capacitor C1 que pode ter valores até 100 pF e do ajuste do potenciômetro, que pode ter até 2,2 M ohms.
Com estes valores máximos podemos obter temporizações que se aproximam de 1 hora.
O resistor de 1 k ohms pode ser substituído por uma lâmpada de 12 V de menor potência, que indicaria que a temporização está em curso.
j) Foto-Monoestável
O disparo do monoestável usando FETs pode ser feito com sensores, como é o caso do circuito mostrado na figura 15.
Um pulso de luz aplicado ao sensor (ligado em qualquer das duas posições indicadas na figura) comuta o circuito, fazendo com que a lâmpada acenda.
A temporização depende de C1 e também do ajuste do trimpot como no circuito anterior.
