Como Funciona o TOPFET

Os projetistas se tornam cada vez mais exigentes e as técnicas de criação de novos componentes semicondutores cada vez mais sofisticadas. o resultado disso é a facilidade criar componentes que sejam dotados exatamente das características que os projetistas exigem. Os TOPFETs são um exemplo disso, desenvolvidos pela Philips Components. Estes novos componentes consistem em FETs de potência com funções on-chip incluídas. Veja neste artigo o que são os TOPFETs e algumas de suas principais características e aplicações.

TOPFET significa Temperature and Overload Protected MOSFETs ou traduzindo, MOSFETs com proteção contra sobrecarga e temperatura.

Estes componentes consistem em Transistores de Efeito de Campo de Potência que incluem on-chip, todos os elemento necessários para proteger o dispositivo contra sobrecargas que possam ocorrer em condições de limite de operação.

O processo mais usado para se obter um componente que sobreviva às condições limites de operação é a seleção.

No entanto, este não é um processo apropriado, tanto por ser custoso como também trabalhoso.

i A melhor solução, utilizada pela Philips Components, foi a inclusão na própria pastilha (on-chip) um circuito que possa monitorar as condições de funcionamento do dispositivo e ajustar suas características de modo automático.

Na figura 1 temos o diagrama de blocos de um TOPFET.

Figura 1 – Diagrama de blocos de um TOPFET

O elemento principal é o MOSFET de potência, que tem às mesmas características dos tipos convencionais produzidos pela Philips Components.

Os tipos disponíveis atualmente são os seguintes:

Tipo	Rds(on)	Vis (V)
BUK100-50GL	125	5
BUK101-50GL	60	5
BUK102-50GL	35	5
BUK100-50G	100	10
BUK101-50G	50	10
BUK102-50G	28	10

A principal diferença entre os três grupos de TOPFETs é a área ocupada pelo MOSFET de potência.

Mas, a maior diferença num TOPFET é a conexão da comporta.

Na primeira geração de TOPFETs a entrada era conectada à comporta via dois resistores, com uma resistência total de 5,2 Ω.

Com estes resistores, a proteção podia ser realizada de forma como se faz convencionalmente num MOSFET comum de potência.

Isso significa também que os TOPFETs podem ser utilizados em projetos que foram criados originalmente para usar MOS FETs comuns de potência, sem necessidade de modificações.

O valor de 5,2 Ω foi justamente escolhido por se adaptar as características dos circuitos de entrada da maioria dos MOSFETs comuns.

No entanto, projetistas que pretendiam usar o TOPFET em aplicações de alta freqüências como, por exemplo, as que exijam excitação direta de microcontroladores, podiam achar o valor muito alto ou muito baixo, mas para, estes casos, variantes do tipo básico podiam ser produzidas com as alterações necessárias.

Para os blocos de controle, proteção contra curto-circuito e sobre-temperatura, a alimentação é obtida diretamente* do pino de entrada.

Isso significa que para uma operação conveniente, a tensão de entrada deve ser maior ou igual a Visp, o que nos leva a um valor típico entre 3,5 e 4,0 V (valores limites).

A proteção contra sobre-temperatura usa duas unidades de sensoriamento, com diferentes coeficientes de temperatura, de modo a decidir quando a temperatura do chip está muito elevada.

As saídas dos sensores são ligadas a um comparador, que muda de estado num ponto, programado, quando ocorre o cross-over.

A saída do comparador vai ao bloco de controle.

A proteção contra curto-circuito tem por base um novo tipo de arranjo sensor que mede a temperatura da parte MOSFET do chip.

Este sensor difere de diversas formas do que mede a temperatura do chip como um todo.

Depois de trabalhado, o sinal do sensor é aplicado a um comparador, que muda de estado quando a temperatura se torna muito alta.

A saída do comparador é aplicada-a uma lógica de controle.

O circuito de controle contém um latch que resseta quando a entrada Vis está no nível baixo e que é setado quando recebe um sinal tanto do comparador do sensor de sobre-temperatura, como do comparador do circuito de proteção contra curto-circuito.

A saída deste circuito é usada para controlar um transistor NMOS que é ligado entre a comporta (g) e a fonte (s) do MOSFET de potência, via um resistor de 200 Ω.

Se o latch indicador de falha for setado, este transistor conduz e a comporta do MOSFET é descarregada, desligando-o.

O circuito de proteção contra sobre tensão contém uma cadeia de zeners que começa a conduzir quando a tensão dreno-fonte excede 50 V.

Quando eles conduzem, os zeners provocam uma condução parcial do MOSFET de potência, de modo a atuar como um ceifador, reduzindo assim a tensão.

O último componente a ser levado em conta no bloco é o diodo de proteção de entrada ESD (Electrostatic Díscharge Protection), que é representado com um diodo zener.

Este elemento é projetado para operar com pulsos, não sendo apropriado para operação contínua, tanto na polarização direta como inversa.

É importante pois, que na operação do dispositivo a tensão entre a entrada e a fonte seja mantida na faixa de -0,3 V a 11 V.

Aplicações

a) Driver estático

A presença de uma resistência de entrada entre 3 k Ω e 5 k Ω na entrada, conforme vimos, além da necessidade de uma tensão de pelo menos 4 V para operação correta dos sistemas de proteção, exige que os TOPFETs sejam excitados por circuitos com características especiais, na comutação de cargas contínuas.

Nestas condições, o TOPFET conduzirá (on) quando a tensão de entrada for de pelo menos 4 V e desIigará ( off) quando a tensão de entrada for de menos de 1 V.

A primeira geração de TOPFETs que apresenta estas características, é indicada para operação na configuração em push-pull, e pode ser excitada diretamente por estágios de saídas das família HC/HCT e AC/ACT.

A Philips Components planejou na época criar novas gerações de TOPFETs que poderiam ser controlados diretamente por portas de saída padrão de microcomputadores.

b) Operação Pulsante

As características dinâmicas de um TOPFET são determinadas principalmente pela presença do resistor de 5 k Ω na entrada e as características de comporta do MOSFET de potência.

Na prática, freqüências de comutação de até 10 kHz podem ser usadas.

Na figura 2 temos um gráfico onde se mostra a corrente de carga em função do ciclo ativo num controle de potência PWM operando em 10 kHz,com uma, indutância de carga de 3,2 mH, resistência de carga de 2 S Ω e uma tensão de bateria de 13 V.

Figura 2 – Corrente média x ciclo ativo

 Na faixa de 0% a 90% da potência, há uma dependência quase que linear da corrente em relação ao ciclo ativo.

Quando comparado a um MOSFET comum nesta aplicação, a velocidade limitada de comutação é um aumento da dissipação dinâmica devem ser levados em conta.

c) controles DC

Na figura 3 temos uma aplicação para um circuito de controle de um motor DC em ponte, usando TOPFETs.

Figura 3 – Controle DC

Um fator importante a ser considerado neste circuito é que, como os TOPFETs são protegidos contra curto-circuitos, a ponte é protegida totalmente no caso de ter um curto no motor, quer seja pela interligação de seus terminais, quer seja pela ligação de um dos terminais ao V+ ou terra.

O circuito também prevê a proteção da ponte em caso de travamento ou redução de velocidade do motor, ou picos de tensão na linha de alimentação.

O circuito tem os seguintes blocos, com a seguintes funções:

Um bombeador de cargas que desenvolve uma tensão suficiente para comutar os TOPFETs de cima.

Este bloco tem por base dois disparadores-inversores Schmitt-Trigger.

As etapas de excitação T1/T2 e T5/T5 ,tanto aplica tensão ao respectivo TOPFET como curto-circuita sua comporta com a fonte.

Os transistores T3 e T7 fazem com que os respectivos estágios sejam controlados pelos níveis lógicos de um circuito externo em relação à terra.

Na figura 4 temos um circuito de interface, que proporciona quatro sinais de controle a partir de duas entradas.

Figura 4 – Interface para o controle de motor da figura 3.

Estes sinais podem vir, por exemplo, de uma porta de saída de um microcontrolador.

A tabela junto ao diagrama dá as quatro possibilidades de controle para o motor: parado, girando num sentido, girando em outro e parado, mas com tensão positiva nos terminais.

Como nos circuitos com MOSFET convencionais, não são necessários diodos de proteção externos, pois eles já estão incluídos no próprio componente

O mesmo circuito da figura 3, também pode ser usado num controle pulsante (PWM).

O lado inferior da chave será a entrada de sinal, enquanto que o lado de cima deve ser mantido em condução permanente.

A tabela junto ao diagrama da figura 4, também mostra esta possibilidade de aplicação.

Lembramos que para a primeira geração de TOPFETs da Philips Components, a máxima velocidade de controle para este circuito é de 10 kHz.

Considerações Especiais

a) Desligamento de cargas lndutivas

Se bem que o TOPFET possua um diodo de proteção interno, este componente não foi projetado para desligar cargas indutivas.

Como numa operação contínua com o desligamento de cargas indutivas, no caso de um PWM, o circuito de proteção contra sobretensão do TOPFET pode atuar de modo a aplicar tensões negativas elevadas na carga.

Durante este período a dissipação será elevada, podendo afetar a temperatura da junção.

b) Ligação em paralelo

Além dos pontos em comum que ocorrem em relação a ligação em paralelo de MOSFET comuns, os TOPFETs tem ainda o seguinte ponto a ser considerado:

Como devem ser alimentados os circuitos de proteção a partir do sinal externo, haverá melhor desempenho se cada TOPFET for excitado separadamente.

c) Operação inversa

Se o TOPFET for polarizado no sentido inverso (dreno-fonte) ocorre o mesmo que num MOSFET de potência comum, o diodo interno de proteção existente no componente é polarizado no sentido direto e conduz intensamente a corrente.

Para os TOPFETs o diodo usado tem as mesmas características dos encontrados nos MOSFET de potência convencionais.

A velocidade de recuperação dos diodos permite sua utilização em circuitos inversores com freqüências de até 10 kHz, não sendo necessária a ligação externa de diodos mais rápidos.

Com relação à entrada, existe um diodo de proteção (ESD), que conduz quando a tensão inversa se torna maior que -0,5 V (maior em valor absoluto), o que significa que a polarização inversa a partir deste valor deve ser evitada.

Como Funcionam os Osciladores

Osciladores são a base de uma infinidade de circuitos eletrônicos. Gerando sinais com as mais diversas formas de onda e frequências esses circuitos podem ser elaborados com componentes de todos os tipos e configurações que mexem com a imaginação dos leitores. Como funcionam os osciladores, o que fazem os osciladores e como determinar a frequência em que operam é o que explicaremos neste artigo, acompanhado de interessantes experiências e circuitos práticos. Sugerimos que os circuitos descritos aqui sejam montados em matrizes de contatos para que o leitor tenha uma ideia melhor de seu princípio de funcionamento.

O que é um oscilador? Em eletrônica é frequente a necessidade de se gerar correntes que variem segundo um ritmo determinado, ou seja, correntes que correspondam a um certo número de vibrações.

Se a frequência for relativamente baixa, entre 15 e 15 000 oscilações em cada segundo, o que será dito entre 15 hertz e 15 000 hertz (Hz), quando a aplicarmos a um alto-falante obteremos sons.

Se a frequência for muito mais alta, por exemplo entre 100 kHz e mais de 1 GHz (G – Giga – bilhão), e a aplicarmos a uma antena, teremos ondas de rádio.

O que caracteriza uma corrente produzida por um oscilador é a sua forma de onda, ou seja, o modo como ocorrem as variações. Isso é representado por um gráfico do tipo mostrado na figura 1. Nesse gráfico temos as formas de onda mais comuns encontradas nos circuitos eletrônicos.

 

No primeiro caso, temos a forma de onda mais comum é a senoidal (a). Esta é a forma de onda “natural” pois, a maioria dos corpos tende a esse tipo de vibração.

No entanto, os circuitos eletrônicos podem produzir correntes com formas de ondas diferentes, como as do segundo tipo e terceiro tipo.

No segundo caso, por exemplo, (b), temos uma forma de onda retangular que é produzida por circuitos capazes de ligar e desligar rapidamente.

Esta não é uma oscilação pura como a senoidal.

Na verdade, segundo Fourier (matemático), podemos imaginar a forma de onda retangular como composta de uma superposição de muitas formas de onda senoidais, cada qual tendo uma frequência múltipla da anterior, conforme mostra a figura 2.

 

Estas formas de frequências múltiplas são denominadas “harmônicas”.

Veja então que, se um circuito produz um sinal senoidal de frequência determinada, este sinal pode ser considerado puro, no sentido de que ele não possui nenhuma frequência múltipla ou harmônica.

Já, um oscilador de forma de onda retangular gera um sinal que é rico em harmônicas, as quais podem atingir frequências as mais elevadas.

Como Gerar Um Sinal

Um oscilador, em sua estrutura mais simples, consiste num amplificador e um sistema de realimentação que aplica parte dos sinais de saída de volta a sua própria entrada, conforme mostra a figura 3.

 

O sinal passa então a “girar” pelo circuito indo e voltando, reforçando a si mesmo e, com isso, levando o circuito a um estado de oscilação.

Você tem um exemplo de um oscilador quando abre o controle de volume de um amplificador que tenha um microfone ligado à entrada.

O som produzido pelo alto-falante é captado pelo microfone e amplificado, sendo reproduzido novamente pelo alto-falante e captado de volta pelo microfone, girando numa velocidade que produz um forte apito. Esse apito é denominado “microfonia”.

Num oscilador o sinal de realimentação passa da saída para entrada através de um conjunto de componente, denominado “rede de realimentação” o qual tem por finalidade determina a frequência de operação do oscilador.

Damos a seguir alguns tipos de osciladores usados em aplicações práticas comuns, fazendo uma breve análise de seu funcionamento.

Oscilador Hartley

O oscilador Hartley básico tem a configuração mostrada na figura 4.

 

A bobina L1 e o capacitor C2 formam um circuito ressonante que tende a oscilar numa única frequência. Este é o circuito que determina a frequência do oscilador.

A bobina L1 deste circuito possui uma derivação de modo que, do centro para baixo temos o enrolamento primário de um transformador que serve de carga para o circuito.

Da tomada central para cima (CT), temos o secundário de um transformador que realimenta o circuito.

Veja que este enrolamento é feito de tal forma que a fase do sinal inverte, condição necessária para que o transistor opere e com isso as oscilações sejam mantidas.

O sinal é aplicado ao transistor através de C1.

Neste circuito temos então uma parte do sinal que é aproveitada na saída, sendo retirada do circuito através de C3 e uma parte que “gira” com a finalidade de manter as oscilações.

Uma condição importante para que este tipo de circuito funcione é que o transistor tenha “ganho”, ou seja, seja capaz de amplificar o sinal.

Se o sinal em sua saída for mais fraco que o da entrada, as oscilações diminuem de intensidade e param.

Com ganho, o excesso das oscilações pode ser retirado do circuito é usado.

Lembre-se que não é possível criar energia, assim, o circuito deve estar constantemente alimentado para que funcione.

O oscilador Hartley pode ser usado para produzir oscilações desde alguns hertz até mais de 50 MHz.

Oscilador Complementar

Este é um tipo de oscilador que, pela sua simplicidade, não necessidade de bobinas, é ideal para aplicações em que se necessita gerar um sinal de áudio para alimentar um alto-falante.

Por esse motivo usamos bastante este oscilador em nossos projetos.

Na figura 5 temos a sua configuração básica.

 

São usados 2 transistores, um NPN e outro PNP ligados em acoplamento direto de modo a formar um amplificador de alto-ganho.

O sinal de realimentação é retirado da saída do segundo transistor (coletor) e aplicado de volta à base do primeiro transistor através de C1 e R2.

O capacitor C1, juntamente com o resistor R1 determinam a constante de tempo do circuito de realimentação e com isso a frequência do oscilador.

Valores típicos de R1 estão na faixa de 2,2 k Ω a 1 M Ω e para C1 podemos ter valores entre 10 nF e 10 µF.

Usando um potenciômetro em lugar de R1 podemos controlar a frequência deste oscilador. L1 pode ser um alto-falante comum.

Oscilador de Duplo T

O nome deste oscilador vem do fato de termos dois circuitos formando um “T” com resistores e capacitores, para a rede de realimentação.

O primeiro T usa os componentes R1, R2 e C1. O segundo T usa como componentes C2, C3 e R3.

Na figura 6 mostramos a configuração básica deste oscilador usando um transistor NPN.

 

Para que este circuito funciona os componentes usados no duplo T devem ter uma relação de valores muito bem determinada.

Assim, C2 deve ser o dobro de C2 e C3 enquanto que R1 e R2 devem ter a metade do valor de R3.

É comum usar para R3 um trimpot de ajuste e assim levar o oscilador a operar numa frequência ajustada por este componente.

Na mesma figura 6 mostramos o percurso da corrente de realimentação do oscilador de duplo T.

Oscilador de Armstrong ou de Bloqueio

Este oscilador utiliza duas bobinas que formam um transformador com um núcleo comum.

A primeira bobina (L1) determina a frequência juntamente com C3, conforme mostra a figura 7.

 

O outro enrolamento do transformador (L2) serve para o circuito de realimentação aplicando o sinal à base do transistor.

O resistor R1 serve de polarização para o transistor juntamente com R3 enquanto que C1 faz o desacoplamento da bobina. O sinal gerado é retirado de C4.

Este oscilador pode gerar sinais em frequências que chegam a várias dezenas de megahertz.

Para baixas frequências, este circuito não é recomendado já que bobina deveria ter uma grande indutância.

Circuitos Práticos Para Experimentar

Damos a seguir alguns circuitos de osciladores, indicando em quais componentes o leitor pode “mexer” verificando assim sua influência no funcionamento.

Explicaremos também como proceder para levar cada circuito a operar na frequência desejada.

Oscilador Hartley

Na figura 8 damos um oscilador Hartley simples que, em princípio, pode funcionar tanto com transistores NPN como PNP, bastando inverter a polaridade da fonte de alimentação.

 

Este circuito pode gerar sinais na faixa de 10 Hz até mais de 20 kHz, dependendo apenas das características do transformador usado.

T1 é um transformador de saída retirado de um rádio transistorizado fora de uso.

Juntamente com C2, o enrolamento primário do transformador determina a frequência do oscilador.

Essa frequência pode ser ajustada ainda pela ação do circuito de realimentação através de P1.

Como o transformador tem um enrolamento de baixa impedância, ele pode alimentar um alto-falante diretamente.

Para fazer experiências com o circuito altere tanto o capacitor C1 como C2. C2 pode ficar entre 10 nF e 100 nF ebnquanto ue C1 pode ficar entre 1 nF e 10 µF tipicamente.

Oscilador com 2 transistores

O circuito proposto é mostrado na figura 9, sendo capaz de gerar sinais na faixa de áudio, reproduzidos num alto-falante.

 

O capacitor C1 pode ser de qualquer tipo e seu valor poderá ser alterado na faixa de 10 nF a 470 nF.

Altere também R2 mas este componente não deve ficar fora da faixa de 330 Ω a 10 k Ω.

Com valores de C1 acima de 470 nF o oscilador vai produzir estalidos intervalados funcionando como um metrônomo.

Oscilador de Alta frequência

Terminamos nossa série de circuitos práticos com um oscilador de bloqueio que gerará um sinal na faixa das ondas médias entre 550 kHz e 1600 kHz.

Este sinal poderá se captado em qualquer rádio AM colocado nas proximidades. O circuito completo é mostrado na figura 10.

 

A bobina L1 será enrolada num bastão de ferrite que pode ser aproveitado de um rádio de ondas médias fora de uso.

O enrolamento primário (L1) é formado por 70 a 100 voltas de fio esmaltado fino (20 a 32) enquanto que L2 é formada por 10 a 30 voltas do mesmo fio sobre L1.

Para conectar a bobina na matriz de contactos, raspe bem as pontas dos fios, de modo a retirar o esmalte que os recobre.

O capacitor variável é retirado de um radio de ondas médias comum.

Neste componente é feito o ajuste do ponto de funcionamento, ou seja, a frequência de operação.

Os capacitores C1 e C2 podem ser cerâmicos ou styroflex. Para usar transistores PNP, inverta a polaridade do suporte de pilhas.

Para testar, ligue um radinho na proximidades e acione S1.

Ajuste CV até captar o sinal. Se nada ocorrer, inverta os fios de L1 ou de L2.

A bobina pode ser alterada para se gerar sinais na faixa de ondas curtas. Para isso, reduza L1 para 20 espiras e L2 para 6 espiras.

O circuito operará em torno de 12 MHz e com uma antena de 2 a 5 metros o sinal poderá ser captado a mais de 10 metros de distância num receptor sensível.

Ligando uma cápsula de alta impedância em paralelo com R1 os sinais podem ser modulados e sua voz transmitida. O circuito oscilador terá sido transformado num transmissor.

Conclusão

Os osciladores que vimos são apenas alguns dos mais usados nos circuitos eletrônicos.

Existem muitas outras configurações interessantes como os osciladores de relaxação, deslocamento de fase, multivibradores, etc. que são de enorme importância também.

Super Heteródino Valvulado Alimentado por Bateria (V397)

Este circuito é de um manual de válvulas da RCA de 1937. O receptor usa baterias de alta tensão, o que era comum na época, pois não existiam os transistores 

ROGELETRYC

WELCOME

Antigo radio vhf ALEMÃO

museu radioamador

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