Transistores de comutação para fontes chaveadas e aplicações industriais (ART563)

A maioria dos monitores de vídeo, computadores, televisores, controles industriais e mesmo aparelhos automotivos e de consumo utilizam fontes chaveadas ou fontes comutadas (SMPS), como também são conhecidas. Com um rendimento muito maior que as fontes comuns, além de outras vantagens, estas fontes exigem transistores de características especiais que, quando apresentam problemas consistem numa fonte de "dores de cabeça" para os técnicos de manutenção. Neste artigo falamos um pouco dessas fontes dando informações que facilitem a substituição dos seus principais componentes.

Os circuitos eletrônicos precisam de tensões estáveis para o seu funcionamento, e estas tensões são fornecidas pelas fontes de alimentação.

Nos aparelhos tradicionais mais antigos ou mais simples, as tensões contínuas para o funcionamento de suas diversas etapas são obtidas a partir de reguladores em série ou em paralelo, com a configuração típica mostrada na figura 1.

 

Reguladores de tensão lineares com transistor bipolar.
Reguladores de tensão lineares com transistor bipolar.

 

No regulador em série, por exemplo, existe um transistor que determina a intensidade da corrente na carga de acordo com uma referência de modo que, nesta carga, tenhamos sempre uma tensão fixa.

Quando o consumo da carga se altera e com isso a tensão tende a aumentar o diminui, o circuito "sente" esta variação e age no sentido de compensá-la. A resistência entre o coletor e o emissor do transistor se modifica no sentido de aumentar ou diminuir a corrente e com isso manter a tensão constante.

Uma desvantagem deste tipo de regulador é que o transistor funciona como um resistor variável, cuja resistência em série com a carga, forma um divisor de tensão com características que independem da corrente numa certa faixa de operação, conforme sugere a figura 2.

 

O transistor se comporta como um resistor variável (R) que depende de I.
O transistor se comporta como um resistor variável (R) que depende de I.

 

Isso significa que o transistor está sempre dissipando uma boa parte da energia do circuito em forma de calor. Esta energia tem sua quantidade dada pelo produto da corrente no transistor pela tensão entre seu coletor e emissor.

Mesmo num circuito bem projetado, esta energia perdida é grande, e isso não é bom se considerarmos um equipamento de alta potência, onde se deseja ter o mínimo de consumo em um mínimo de espaço.

Leve-se em conta que a grande quantidade de calor gerado implica também na necessidade de se ter meios para transferi-lo para o meio ambiente, ou seja, grandes radiadores de calor.

Como obter uma tensão estabilizada numa carga cuja corrente varie sem desperdício de energia na forma de calor?

Sabemos que, se um componente não conduz a corrente e portanto sua intensidade é nula, não há geração de calor, pois o calor é dado pelo produto tensão x corrente e a corrente é zero.

Por outro lado, se um componente conduz totalmente, a ponto de sua resistência poder ser considerada nula, também não haverá produção de calor pois a queda de tensão neste componente, neste caso, é zero.

Podemos então regular a tensão numa carga, deixando de fazer com que o transistor se comporte como uma resistência em série, ligando-o e ligando-o totalmente, ou seja, fazendo-o operar como uma chave. Desta forma, temos na média, uma tensão na carga que corresponda ao valor desejado.

Por exemplo, se na entrada de um circuito tivermos uma tensão de 100 V e desejamos aplicar na carga 50V, basta fazer com que o transistor conduza 50% do tempo e fique desligado os outro 50% do tempo, conforme mostra a figura 3.

 

100 V com 50% de ciclo ativo equivalem a 50 V em média na carga.
100 V com 50% de ciclo ativo equivalem a 50 V em média na carga.

 

Evidentemente, isso deve ser feito de uma forma muito rápida, ligando-se e desligando-se este transistor a partir de um oscilador retangular, conforme mostra a figura 4.

 

Uma fonte chaveada básica.
Uma fonte chaveada básica.

 

O ciclo ativo deste oscilador, ou seja, o tempo em que o transistor permanece em condução vai determinar a tensão sobre a carga.

Para que a carga não sinta as variações que ocorrem na comutação do transistor, é preciso operar numa frequência relativamente alta e usar elementos de filtragem apropriados.

Estas fontes operam entre 10 kHz e 500 kHz e possuem elementos adicionais de filtragem na configuração típica mostrada na figura 5.

 

Elementos de uma fonte chaveada completa.
Elementos de uma fonte chaveada completa.

 

Existem muitos circuitos integrados dedicados que reúnem os elementos que modificam o ciclo ativo das oscilações aplicadas ao transistor em função da tensão de saída, corrigindo assim as variações da carga, e que contém os próprios osciladores.

No entanto, estes elementos são ligados a transistores de potência com características especiais e que permitem a comutação rápida com o máximo de rendimento.

O ponto mais crítico num transistor de potência que vai operar numa fonte chaveada é a sua capacidade de responder rapidamente aos comandos de comutação.

Todos os transistores possuem certa capacitância entre o emissor e a base dada pelas próprias áreas dos materiais semicondutores que se defrontam na junção, conforme sugere a figura 6.

 

As regiões semicondutoras funcionam como as armaduras de um capacitor.
As regiões semicondutoras funcionam como as armaduras de um capacitor.

 

Quando aplicamos uma tensão na base de um transistor de modo a levá-lo à condução, isso não ocorre de modo imediato. Demora algum tempo até que o capacitor entre a base e o emissor se carregue e com isso a corrente possa subir até o valor necessário à comutação ser alcançado.

Neste intervalo, representado pelo gráfico da figura 7, o transistor não tem sua resistência próxima de zero e nem próxima de infinito, mas se comporta como um resistor de valor intermediário, pelo qual flui uma corrente intensa e há dissipação de energia.

 

Na comutação o transistor dissipa calor.
Na comutação o transistor dissipa calor.

 

O transistor, mesmo operando numa fonte chaveada, tende a esquentar e a ser responsável por certa perda de energia no circuito.

Um bom transistor para uma fonte chaveada deve ser capaz de comutar rapidamente de modo a reduzir ao mínimo este tempo de transição e com isso as perdas. O tempo em que a corrente de coletor demora para subir de zero até o máximo numa fonte chaveada é indicado por ton e o tempo que demora para cair do máximo até zero é indicado por toff, conforme mostra a figura 8.

 

Perdas típicas de transistores comutando 300 V x 5 A .
Perdas típicas de transistores comutando 300 V x 5 A .

 

Os transistores de comutação para fontes chaveadas devem ter estes tempos bem pequenos, o que implica em técnicas especiais para sua construção.

Dois outros tempos são importantes nas especificações dos transistores usados em fontes chaveadas. Um deles é o tempo de descida ou "fall-time" indicado por tf que corresponde ao intervalo entre o instante em que a amplitude do pulso no transistor cai de 90% de seu valor máximo para 10% desse mesmo valor máximo.

Igualmente, temos o tempo de subida ou "rise time" indicado por tr e que corresponde ao intervalo de tempo em que a amplitude de um pulso aplicado a um transistor sobe de 10% a 90% do valor máximo, conforme mostra a figura 9.

 

Tempos para transistores de comutação.
Tempos para transistores de comutação.

 

Estes tempos são importantes, pois determinam qual é a frequência máxima de operação de um transistor numa fonte chaveada. Muito próximo do limite, o transistor começa a perder seu rendimento, com a conversão cada vez maior de energia em calor.

Na utilização de um transistor para uma fonte chaveada devemos estar atentos então para suas diversas especificações que são:

a) ton, toff, tr e tf que já conhecemos. Na eventual necessidade de substituirmos um transistor numa fonte chaveada, o substituto deve ter estes tempos menores ou iguais ao original.

b) VCEV - Na comutação rápida, como existe uma carga indutiva no circuito, são geradas altas tensões inversas que aparecem sobre o transistor de comutação. Os transistores devem então estar aptos a suportar esta tensão que tem seu máximo indicado pela sigla VCEV onde o CEV inicial indica a que a tensão de ruptura se refere ao terminal de emissor. Trata-se então da tensão de ruptura entre o emissor e o coletor quando o terminal de coletor está polarizado no sentido inverso e o terminal de base polarizado de acordo com a última letra (v).

Os transistores de fontes chaveadas se caracterizam por elevadas VCEV, normalmente acima de 400 V. Normalmente esta tensão pode ser bem maior que a comumente indicada por VCEO, que é a tensão máxima entre o coletor e o emissor quando a base se encontra aberta.

Um transistor substituto para uma fonte chaveada deve ter sua VCEV maior ou igual que a do original.

c) Ic - É a corrente máxima de coletor. Trata-se da corrente contínua máxima que pode circular pelo terminal de coletor do transistor. O transistor substituto deve ser especificado para uma corrente contínua de coletor maior ou igual que a do original.

d) Ptot - Trata-se da potência de dissipação ou potência máxima que o transistor pode dissipar em uma determinada temperatura, normalmente de 25 graus centígrados (temperatura ambiente) com dissipador apropriado.

O transistor substituto numa fonte chaveada deve ter uma potência de dissipação maior ou igual que a do transistor original.

e) Tipo

Existem diversas possibilidades de uso de transistores de potência em fontes chaveadas. Além dos bipolares, que são representados pelos tipos NPN e PNP, temos também os transistores de efeito de campo de potência que tanto podem ser de canal N como de canal P, conforme mostramos na figura 10.

 

FETs de potência podem ser encontrados em fontes chaveadas. Observe o diodo de proteção.
FETs de potência podem ser encontrados em fontes chaveadas. Observe o diodo de proteção.

 

Para os bipolares, além de todas as características já citadas também devemos observar se o substituto tem a mesma polaridade do original, o mesmo ocorrendo em relação aos transistores de efeito de campo de potência (MOS-FET ou Power Fets). Também é preciso observar que os transistores de efeito de campo não substituem os bipolares numa determinada aplicação.

Outro tipo de transistor usado em fontes chaveadas é o Igbt (Isolated Gate Bipolar Transistor) que reúne num componente as características de entrada do Power-FET com a condução do bipolar.

f) fT - frequência de transição.

Esta é a frequência em que teoricamente o transistor deixa de amplificar os sinais ou máxima frequência em que ele pode ser usado. O transistor substituto deve ter uma frequência maior ou igual que o original.

g) Outras

Existem outras características elétricas importantes para os transistores de fontes chaveadas, mas, em geral, se o transistor é indicado pelo fabricante para uma determinada aplicação podemos ter a certeza que, obedecidas as principais, que são as mais críticas, as demais dificilmente saem do normal a ponto de afetar o bom funcionamento de um circuito.

O leitor só deve se preocupar com estas características, como por exemplo a corrente máxima de base, a corrente de pico de coletor, a capacitância entre o coletor e a base se o componente tiver de operar numa operação mais crítica.

No entanto, tão importante quanto as características elétricas é a disposição dos terminais e o invólucro.

Os transistores de potência usados em fontes chaveadas normalmente são disponíveis em invólucros plásticos TO-220, TO-218 ou ainda em invólucros metálicos TO-3 e suas variantes que são os mais comuns.

É interessante observar que numa aplicação em que o substituto tenha o mesmo invólucro e disposição de terminais, temos uma facilidade muito maior na reposição, mas eventualmente pode ser feita uma adaptação se o invólucro for diferente.

Para facilitar os técnicos de manutenção damos a seguir uma boa relação de transistores normalmente usados em fontes chaveadas com suas características.

 

Tabela de transistores usados.
Tabela de transistores usados.

 

Opinião

Avanços e Retrocessos (OP126)

Uma palavra muito em moda nos nossos meios, principalmente os políticos é “avanço”, se bem que dependendo da maneira como ela seja colocada, pode significar realmente um retrocesso. Nos meios tecnológicos, como o nosso o avanço é perceptível, constante e muito mais forte em sua penetração a ponto de pouco ser contestado.

Leia mais...

Informativo Mensal

 Para se manter atualizado com nossas novidades e notícias, Siga-nos pelo:
Twitter
Facebook
Linkedin

ou torne-se membro de nosso grupo:
Google Group 
Yahoo Group


Pensar
Uma porção de pessoas julgam estar pensando quando apenas rearrumam os seus preconceitos. (A great many people think they are thinking when they are merely rearranging their prejudices.)
William James (1842 - 1910) - citado em Quotations for Speakers and Writers

Instituto Newton C Braga - 2014 - Entre em contato - Como Anunciar - Políticas do Site
+conexões

Seja mais um amigo facebook
Siga-me twitter
Apoio Social
Lions Clube de Guarulhos Sul SOS Mater Amabilis
Advertise in Brazil
If your business is Electronics, components or devices, this site is the correct place to insert your advertisement (see more)