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Como funciona o sensor-FET (ART1039)

Nas aplicações em que os FETs de potência são utilizados como elementos básicos, o controle do circuito pela corrente é comum. No entanto, para o projetistas, este método apresenta alguns inconvenientes que podem ser facilmente contornados com o SENSORFET. Desenvolvido pela Philips, este componente poderá ser encontrado em controles PWM, fontes chaveadas e outras aplicações que envolvem o controle de potência.

Na maioria dos projetos de circuitos que tratam do controle de potência, este é feito a partir da corrente circulante que é sensoriada, realimentando um circuito de controle. No modo mais comum, um resistor é ligado em série com o circuito, conforme mostra a figura 1, aparecendo neste componente uma tensão proporcional à corrente circulante e que serve de referência para os circuitos de controle.

 

A corrente é sensoreada na fonte(s) do Power-FET.
A corrente é sensoreada na fonte(s) do Power-FET.



Outra técnica utilizada para este controle faz uso de um transformador de corrente, também ligado em série com o circuito.

Entretanto, estas duas técnicas trazem alguns inconvenientes para os projetistas: a inserção de um resistor em série causa perdas de energia com a geração de calor num grau tanto mais elevado quanto maior for a corrente do circuito. Além disso, o emprego de um componente adicional também encarece o circuito e implica na necessidade de um espaço a mais na placa. O mesmo é válido para o caso dos projetos que usam transformadores de corrente.

A idéia básica da Philips ao criar o SensorFET foi a de colocar num mesmo componente os elementos para o controle de potência, ou seja, o próprio FET e um eletrodo adicional para sensoriamento, sem a necessidade de componentes externos adicionais.

O resultado final é que este novo componente encontra aplicações importantes na eletrônica de potência (industrial e de consumo), devendo portanto ser conhecido dos leitores profissionais destas áreas.

Na figura 2 temos o símbolo utilizado para representar este componente, observando o eletrodo (m) de sensoriamento cujo princípio de funcionamento será descrito no próximo item.

 

Símbolo do sensor FET.
Símbolo do sensor FET.



COMO FUNCIONA

Um transistor de efeito de campo de potência (Power - FET) pode ser considerado um circuito integrado em que centenas ou mesmo milhares de transistores de efeito de campo de pequena potência são ligados em paralelo.

O ponto mais crítico da fabricação dos FETs de potência é que cada elemento deveria ter as mesmas características, de modo que a corrente circulante fosse distribuída por igual por todo o componente.

No entanto, pode-se fabricar este componente de modo que um ou mais destes elementos sejam isolados e, assim, tenham um funcionamento independente em relação à fonte, mas em comum com a corrente de controle ou mesmo do dreno.

É justamente o que se faz no caso do SensorFET, conforme mostra a figura 3.

 

Circuito equivalente ao Sensor FET.
Circuito equivalente ao Sensor FET.



Na mesma pastilha são montados dois transistores de efeito de campo: um com uma resistência entre dreno e fonte (Rds) na condução, muito baixa, e que se destina justamente ao controle da carga principal. O outro transistor tem uma Rds(on) alta e é usado como sensor.

No modelo de aplicação mostrado na figura 4, vemos então que basta ligar à saída de sensoriamento (m) deste transistor um resistor (que não precisa ser de alta dissipação) para monitorar a corrente em todo o dispositivo.

 

Usando o Sensor FET.
Usando o Sensor FET.



Os tamanhos relativos dos dois transistores (sensor e principal) determinam o número de células que são usadas para cada um. Para os tipos comuns este número é da ordem de 1:1500.

Dessa forma, chegamos a um componente final que é encontrado num encapsulamento TO-220 de 5 pinos, sendo que, além dos terminais normais de dreno (d), gate (g) e source (s), temos o terminal de sensoriamento (m) e o terminal kelvin (K).

O terminal Kelvin serve para se ligar um resistor que determina o nível de sensoriamento sem a necessidade deste componente estar conectado ao circuito de potência.

 

APLICAÇÕES

Conforme já explicamos, a idéia básica do SensorFET é eliminar a necessidade de colocar um resistor de baixo valor e alta dissipação em série com o circuito de potência para se sensoriar a corrente circulante.

Assim, de acordo com a figura 5 onde temos um circuito de aplicação, o resistor de sensoriamento é de valor mais elevado (comum) e de baixa dissipação, fornecendo uma tensão proporcional à corrente no circuito para um comparador de tensão.

 

Circuito de aplicação
Circuito de aplicação



O valor do resistor de sensoriamento Rsense depende da tensão de referência (Vref) e do tipo de controle que será executado pelo circuito.

Para o SensorFET BUK795-50 da Philips, temos na figura 6 as curvas que mostram os valores assumidos pela tensão de sensoriamento (Vm) em função da corrente de dreno para diversos valores de resistores.

 

Tensão de sensoreamento x Corrente de dreno para o BUK795-50
Tensão de sensoreamento x Corrente de dreno para o BUK795-50



Um outro circuito de aplicação utiliza como referência a saída Kelvin (K) e é visto na figura 7.

 

Circuito usando a saída Kelvin (K).
Circuito usando a saída Kelvin (K).



Este circuito faz o sensoriamento com terra virtual e tem como principal vantagem o fato de ser independente da resistência sensora e da temperatura da junção.

Finalmente, mostramos como numa ponte H (meia ponte) é possível utilizar este componente para se obter uma saída sensora para controle de velocidade ou outra aplicação. O circuito exemplificado na figura 8 utiliza dois FETs de potência, sendo um deles um SensorFET.

 

Uso do Sensor FET numa ponte
Uso do Sensor FET numa ponte



CONCLUSÃO

O SensorFET consiste em uma alternativa importante para o projeto de circuitos de potência que precisem de um controle a partir de um sensoriamento da corrente.

Com este componente os custos do projeto podem ser reduzidos, além dele proporcionar outras vantagens que ficam claras neste artigo.

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N° do componente 

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