A disponibilidade de transistores de potência para altas tensões abre um vasto campo de aplicações para o projetista Transistores com tensões coletor-emissor da ordem de 250 e mais volts, capazes de conduzir correntes de alguns ampères, permitem sua utilização em circuitos que até então só podiam ser projetados com o uso de válvulas. Nesta artigo discutimos as aplicações de alguns transistores de alta tensão.
Obs. A versão original deste artigo de 1984 pode ser vista em Aplicações Para Transistores de Alta Tensão (MEM092).
Transistores fabricados por um processo de tripla difusão e com capacidade de comutar sinais intensos em alta velocidade são hoje acessíveis até mesmo aos montadores mais modestos.
A Utilização de transistores de altas tensões em circuitos práticos pode apresentar uma série razoável de vantagens.
Uma delas, por exemplo, está na simplificação da fonte já que, em alguns casos, pode-se aproveitar diretamente a tensão da rede, com a eliminação do caro e volumoso transformador. Em outros casos, o uso de altas tensões é necessário, pela própria natureza do projeto, sendo citado como exemplo os circuitos de deflexão horizontal de televisores.
Os transistores para altas tensões podem ainda ser usados em fontes de alimentação como estabilizadores, podem ser utilizados em saídas de áudio de boa potência em receptores alimentados diretamente pela rede,como inversores, osciladores para fontes ultrassônicas, e em muitas outras aplicações comerciais ou industriais e até mesmo recreativas.
Atualmente, podemos contar com diversos tipos de transistores de tensões elevadas, a custo relativamente baixo, cujas características podem ser melhor analisadas pela tabela dada.
Transistores de Alta Tensão como Reguladores
A seguir, daremos alguns exemplos de aplicações práticas para transistores de altas tensões em fontes de alimentação fazendo considerações sobre suas limitações e alguns elementos importantes que devem ser levados em conta no cálculo dos demais componentes associados.
Começamos por lembrar aos leitores que a finalidade básica de um circuito regulador de tensão é manter constante a tensão de saída quando a entrada varia entre certos limites. Na figura 1 temos um circuito básico de um regulador de tensão do tipo série.
Neste circuito temos um dispositivo de controle que “sente” as variações da tensão de saída e, em sua função, atua sobre o transistor (elemento de potência) de modo que, este alterando sua condução, possa compensar as variações da tensão de saída que será levada ao seu valor constante, normal.
Pelo que o leitor pode perceber, neste tipo de regulagem, em que o transistor fica em série com a carga, a tensão entre seu emissor e o coletor é sempre igual à diferença entre a tensão de entrada (Vin) e a tensão de saída (Vout).
Um circuito simples para termos um regulador completo de tensão é mostrado na figura 2, sendo utilizado um diodo zener para manter constante a tensão de base do transistor.
Nestas condições, as variações da tensão de saída podem apenas causar variações na tensão base-emissor, e, consequentemente, na condução do transistor.
Este tipo de regulagem apresenta, entretanto, o inconveniente de que o diodo zener deve ser capaz de dissipar uma potência tanto maior quanto maior for a corrente desejada na saída.
O valor máximo da resistência R que pode ser usada neste circuito é dado pela expressão:
Podemos reescrever esta equação, levando em conta que a corrente IB(max) e função do ganho do transistor (hFE) e da corrente de saída da fonte (Io):
O diodo zener, por sua vez, deve ser capaz de suportar uma corrente máxima Iz que será dada pela seguinte expressão:
Exemplo Prático
Desejamos ter uma tensão de saída regulada (Vout) de 100 V sob corrente máxima de 400 mA a partir de uma tensão de entrada de 135 V que varia de 15 V em torno deste valor (135 +/- 35 V), utilizando um transistor cujo ganho mínimo seja de 20 vezes (hFE(min,) = 20) (Exemplo do RCA Solíd State Data-Book).
Temos então:
Vout = 100 V
Io(máx) = 400 mA
Vin = 135 i 15 V
hFE(mín.) = 20
Podemos então determinar R:
A dissipação desta resistência deverá ser de 2,5 W.
IB(máx.) = 0,4/20 = 20 mA
Calculamos então IZ, a corrente que deve c1rcular pelo díodo zener:
As especificações do díodo zener são então:
Vz = 100 V
PZ = 5 W
Iz – 50 mA
O circuito completo deste regulador usando um transistor 2N3583 é mostrado na figura 3.
Tanto a potência do díodo zener como a do resistor pode ser consideravelmente reduzida com a utilização de um segundo transistor de menor potência na excitação, conforme mostra a figura 4.
Neste circuito, temos um aumento do ganho da etapa amplificadora, o que equivale a um transistor de maior hFE. Na verdade, podemos dizer que o ganho efetivo da etapa é igual ao produto dos ganhos dos transistores utilizados.
Supondo que o ganho mínimo do transistor de maior potência seja 20 e que o ganho mínimo do transistor de menor potência seja de 40 vezes, nas expressões usadas no cálculo do regulador podemos substituir diretamente hFE por 40 x 20 800.
Podemos então calcular os novos valores de R e para o díodo zener:
A potência dissipada neste resisto será de 0,062 W.
Para o zener temos:
A potência do diodo zener será de apenas 125 mW.
Neste circuito, a máxima potência dissipada pelo transistor de menor potência será de 1 W. Esta potência é calculada em função de uma corrente de coletor de 20 mA sob uma tensão de 50 V.
É claro que ao lado das vantagens obtidas com a utilização de um diodo zener de menor potência e também de resistor de menor dissipação existem as desvantagens.
Uma delas está no fato de termos duas junções em lugar de uma em todo o circuito de referência, o que significa uma menor sensibilidade para a regulação.
Na figura 5 temos um circuito mais elaborado que utiliza um terceiro transistor de realimentação, de modo a melhorar a regulagem.
Neste circuito, parte do sinal de saída é retirada como amostragem por meio de um diodo zener, que então oferece um valor de referência muito estável. O sinal de erro resultante da comparação entre esta tensão e a tensão de saída serve para realimentar o circuito regulador, de modo a fazer a correção.
As condições de operação do transistor Q3 neste c1rcu1to são determinadas da mesma maneira que para o díodo zener no circuito anterior
A corrente máxima pelo diodo zener e igual a corrente de coletor máxima Ic(máx) de Q3 dividida pelo ganho mínimo de Q3 sob Ic(máx).
Na figura 6 temos um circuito prático para este regulador capaz de fornecer uma tensão de saída variável entre 175 e 225 V sob correntes de até 150 mA.
As curvas de desempenho são mostradas na figura 7.
Conclusões
A possibilidade de se obter transistores de altas tensões capazes de conduzir correntes relativamente intensas, e também a disponibilidade de diodos zener numa ampla faixa de tensões, permite a utilização de dispositivos de estado sólido em fontes que até então eram projetadas quase que exclusivamente à base de válvulas a gás para a regulação.
Os transistores mostram-se tão bons nestas aplicações como os componentes que substituem, com vantagem de tamanho reduzido e em alguns casos até mesmo em relação ao custo.
