Dimensionamento de Interfaces de Saída com Transistores MOSFET

3. O Transistor MOSFET como Chave Eletrônica

O MOSFET é um tipo de transistor de efeito de campo (FET) amplamente utilizado em eletrônica de potência devido à sua capacidade de chavear altas correntes com pouca perda. Diferentemente do BJT, o MOSFET é um dispositivo controlado por tensão, não por corrente. Ele possui três terminais principais: Gate (G), Drain (D) e Source (S).

• Funcionamento como Chave:
  • Região de Corte (Desligado): Quando a tensão entre o Gate e o Source (V_GS​) é menor que uma tensão de limiar (V_GS(th)​), o MOSFET se comporta como uma chave aberta entre o Drain e o Source. Nenhuma corrente flui do Drain para o Source.
  • Região de Saturação (Ligado): Ao aplicar uma tensão V_GS​ maior que V_GS(th)​ (tipicamente 2V a 4V para MOSFETs de lógica), o MOSFET entra em condução (saturação). Ele se comporta como um resistor de baixa resistência entre o Drain e o Source (R_DS(on)​), permitindo que uma alta corrente flua com uma queda de tensão mínima.

Vantagens do MOSFET para Chaveamento de Potência:

As características do MOSFET o tornam ideal para aplicações de chaveamento de alta potência, especialmente em comparação com o BJT:

• Baixa Resistência de Condução (R_DS(on)​): Quando totalmente ligado (saturado), a resistência entre Drain e Source é muito baixa (na ordem de mili-ohms para MOSFETs de potência). Isso minimiza a queda de tensão sobre o componente e, consequentemente, a potência dissipada (P_diss​=I_D²​×R_DS(on)​), resultando em maior eficiência energética.
• Alta Impedância de Entrada: O Gate do MOSFET é isolado eletricamente do canal principal por uma camada de óxido, o que significa que ele requer uma corrente de entrada (no Gate) desprezível para ser acionado (apenas para carregar/descarregar a capacitância parasita do Gate). Isso facilita muito a interface com microcontroladores, que têm capacidade limitada de fornecimento de corrente em seus pinos de E/S.
• Velocidade de Chaveamento Elevada: MOSFETs podem ligar e desligar muito rapidamente, tornando-os adequados para aplicações de alta frequência, como fontes chaveadas (SMPS) e controle PWM (Modulação por Largura de Pulso).

Tipos de MOSFET:

Os tipos mais comuns para chaveamento são:

• MOSFET de Canal N (Enhancement-Mode): É o mais utilizado para chaveamento. Liga quando uma tensão positiva é aplicada ao Gate (em relação ao Source).
• MOSFET de Canal P (Enhancement-Mode): Liga quando uma tensão negativa é aplicada ao Gate (em relação ao Source).

3.2. Dimensionamento do Circuito de Gate e Gate Drivers

Apesar da alta impedância de entrada, o Gate de um MOSFET possui uma capacitância parasita significativa (C_iss​, C_oss​, C_rss​). Para que o MOSFET ligue e desligue rapidamente (o que é crucial para minimizar perdas durante as transições e em aplicações de alta frequência como PWM), essa capacitância precisa ser carregada e descarregada rapidamente.

• Resistor de Gate (R_G​): Um resistor é geralmente colocado em série com o Gate para:
  • Limitar a corrente de pico do microcontrolador (ou gate driver) ao carregar/descarregar a capacitância do Gate.
  • Controlar a velocidade de chaveamento (um R_G​ maior resulta em chaveamento mais lento).
  • Prevenir oscilações de alta frequência.

• A Necessidade de Gate Drivers: Para MOSFETs de potência maiores, que possuem capacitâncias de Gate elevadas e precisam chavear muito rapidamente (especialmente em altas frequências ou com cargas indutivas), os pinos de um microcontrolador geralmente não conseguem fornecer a corrente de pico necessária para carregar/descarregar o Gate com rapidez suficiente. Nesses casos, utiliza-se um Gate Driver (Driver de Gate).
  • O que é um Gate Driver? É um circuito integrado ou discreto projetado para fornecer pulsos de corrente de alta amplitude e curta duração para o Gate do MOSFET, garantindo uma transição rápida entre o corte e a saturação. Isso minimiza as perdas de chaveamento e aumenta a eficiência geral do circuito (Imagens abaixo disponíveis em: https://www.youtube.com/@canalwrkits, “MOSFET: Driver Com circuito Integrado”).

Ponto para Reflexão: Por que a velocidade de chaveamento é tão importante para a eficiência de um circuito com MOSFET, mesmo que ele tenha um RDS(on)​ muito baixo? (Resposta: Durante as transições (ligar/desligar), o MOSFET não está nem totalmente em corte nem totalmente em saturação, o que significa que há simultaneamente alta corrente e alta tensão sobre ele, resultando em grandes perdas de potência. Transições rápidas minimizam o tempo nessas regiões de alta perda).

Dissipação Térmica e Dissipadores

Embora os MOSFETs sejam mais eficientes que os BJTs no chaveamento, eles ainda dissipam alguma potência, principalmente devido à sua R_DS(on)​ (quando ligados) e, em menor grau, durante as transições de chaveamento. A potência dissipada é calculada por:

P_diss​=I_D²​×R_DS(on)​ (perdas de condução) + Perdas de chaveamento

Se a temperatura da junção do MOSFET exceder seu limite máximo, o componente pode ser danificado.

• Necessidade de Dissipadores: Para correntes elevadas, onde a P_diss​ é significativa (geralmente acima de 1W-2W), é indispensável utilizar dissipadores de calor. O dimensionamento do dissipador é crucial e envolve considerar a resistência térmica do MOSFET (junção-caixa), a resistência térmica do isolamento (se houver) e a resistência térmica do dissipador (caixa-ambiente).
• Ponto para Reflexão: Como a presença de um Gate Driver pode influenciar na dissipação de potência total de um circuito que utiliza um MOSFET de alta potência? (Resposta: Um Gate Driver acelera as transições, reduzindo as perdas de chaveamento e, consequentemente, a dissipação total de potência no MOSFET, embora o driver também dissipe uma pequena quantidade de calor).

3.4. Aplicações Típicas

O dimensionamento de interfaces com MOSFETs será aplicado, por exemplo, em:

• Acionamento de Relés de Estado Sólido (SSRs): MOSFETs podem ser usados para controlar a entrada de SSRs, especialmente se estes exigirem uma corrente de controle um pouco maior ou se for necessário um chaveamento muito rápido.
• Acionamento de Válvulas Solenoides DC de Maior Corrente: Se as válvulas operarem em DC e demandarem correntes que excedam a capacidade de um BJT de baixa potência, um MOSFET é uma excelente escolha devido à sua baixa resistência de condução.
• Controle de Potência (PWM): Se houver necessidade de controle fino de potência para resistências de aquecimento ou velocidade de motores DC (via PWM), o MOSFET é o componente ideal devido à sua capacidade de chaveamento rápido e eficiência.

3.4.1. Exemplo de Dimensionamento de MOSFET para Acionamento de Válvula Solenoide

Vamos considerar o projeto de acionamento de uma válvula solenoide DC de 24V que consome 1.5A, utilizando um MOSFET de canal N a partir de um microcontrolador que opera com 5V em seus pinos de saída.

Requisitos da Carga:

• Tensão da carga: V_carga​=24V DC
• Corrente da carga: I_carga​=1.5A

Requisitos do Microcontrolador:

• Tensão de saída do pino do microcontrolador para acionar o MOSFET: V_MCU​=5V

Passo a Passo do Dimensionamento:

1. Seleção do MOSFET:
   1. Tensão Dreno-Source (V_DSmax​​): O MOSFET deve suportar a tensão da carga com folga. Escolha um MOSFET com V_DSmax​​>24V. Uma boa margem de segurança sugere V_DSmax​​≥1.5×Vcarga​, ou seja, 1.5×24V=36V. Podemos buscar MOSFETs com V_DSmax​​ de 40V, 60V, etc.
   1. Corrente de Dreno (I_Dmax​​): O MOSFET deve suportar a corrente da carga. Escolha um MOSFET com I_Dmax​​>1.5A. Uma margem de 1.5 a 2 vezes a corrente da carga é recomendada, então I_Dmax​​≥1.5×1.5A=2.25A.
   1. Resistência Dreno-Source em Condução (R_DS(on)​): Para minimizar as perdas e o calor, escolha um MOSFET com o menor R_DS(on)​ possível. Valores na casa de dezenas ou centenas de mili-ohms (mΩ) são ideais.
   1. Tensão de Limiar do Gate-Source (V_GS(th)​): É crucial que o V_GS(th)​ do MOSFET seja compatível com a tensão de saída do microcontrolador (5V). Escolha um MOSFET com V_GS(th)​ significativamente menor que 5V (por exemplo, 1V a 3V), e que garanta uma baixa R_DS(on)​ com 5V no gate. MOSFETs “logic-level” são ideais para acionamento direto por microcontroladores.
   2. Exemplo de MOSFET Escolhido: IRF520 (Este é um exemplo didático; há opções mais modernas com menor RDS(on)​).
      • V_DSmax​​=100V (Atende)
      • I_Dmax​​=9.2A (Atende com folga)
      • R_DS(on)​=0.27Ω (Com V_GS​=10V. Atenção: R_DS(on)​ varia com V_GS​, verifique o datasheet para V_GS​=5V se disponível, caso contrário, assuma que será ligeiramente maior que o valor para 10V, mas ainda aceitável para 1.5A).

• Melhor escolha para microcontrolador: IRLZ44N (logic-level MOSFET)
  • V_DSmax​​=55V (Atende)
  • I_Dmax​​=47A (Atende com muita folga)
  • R_DS(on)​=0.022Ω (Com V_GS​=5V. Excelente!)
  • V_GS(th)​=1V a 2V (Satura perfeitamente com 5V).
  • Para o nosso exemplo, vamos usar o IRLZ44N devido à sua característica “logic-level” e baixo RDS(on)​.

1. Dimensionamento do Resistor de Gate (R_G​):
   1. Um resistor de gate de valor baixo (ex: 10Ω a 100Ω) é usado para limitar a corrente de pico do microcontrolador para carregar o gate e prevenir oscilações.
   • Para acionamento relativamente lento como uma válvula solenoide (não PWM de alta frequência), um R_G​=100Ω é uma boa escolha. Se a frequência de chaveamento fosse muito alta (acima de 10kHz), um valor menor (ex: 10Ω ou 22Ω) poderia ser necessário, ou um gate driver.
2. Diodo de Roda Livre (Flyback):
   1. Válvulas solenoides são cargas indutivas. É essencial adicionar um diodo de roda livre em paralelo com a bobina da válvula, polarizado inversamente (catodo para 24V, anodo para o terminal de conexão do Drain do MOSFET).
3. Especificação do Diodo:
   1. Corrente Média Retificada (I_Favg​​): Deve ser maior que a corrente da carga (1.5A). Diodos como o 1N4007 (1A) podem ser um pouco subdimensionados; um 1N5401 (3A) seria mais adequado.
   1. Tensão Reversa de Pico (V_RRM​): Deve ser maior que a tensão da carga. Para 24V, um diodo com V_RRM​ de 50V, 100V ou mais é seguro. O 1N5401 tem V_RRM​=100V.
4. Cálculo da Potência Dissipada no MOSFET (perdas de condução):
   1. P_diss​=I_D²​×R_DS(on)​
   1. Considerando I_D​=1.5A e R_DS(on)​=0.022Ω (para IRLZ44N com V_GS​=5V):
   1. P_diss​=(1.5A)²×0.022Ω=2.25×0.022Ω≈0.0495W

Essa potência é muito baixa, indicando que o MOSFET escolhido é extremamente eficiente para essa aplicação e não necessitaria de dissipador de calor adicional na maioria dos ambientes.

Resumo

Este capítulo detalhou o funcionamento do Transistor MOSFET como uma chave eletrônica, destacando suas vantagens sobre o BJT em aplicações de alta potência, principalmente devido à sua baixa resistência de condução e alta impedância de entrada. Você aprendeu sobre o dimensionamento do circuito de gate, a importância dos gate drivers para MOSFETs de potência e as considerações cruciais sobre dissipação térmica. Adicionalmente, foi apresentado um exemplo prático de dimensionamento de um circuito de acionamento de válvula solenoide com MOSFET, consolidando os conceitos de seleção de componentes e proteção. O domínio desses conceitos é essencial para o projeto eficiente e robusto de interfaces de saída para acionamento de cargas de média a alta potência.

Exercícios

1. Compare o MOSFET e o BJT como chaves eletrônicas em termos de corrente de acionamento de base/gate e resistência quando ligados. Quais as principais vantagens do MOSFET nesses aspectos?
2. Um MOSFET de canal N tem um VGS(th)​ de 2.5V. Se você tentar acioná-lo diretamente com um pino de microcontrolador de 3.3V, ele irá saturar completamente? Justifique.
3. Uma carga consome 5A e é alimentada por 24V. Você escolhe um MOSFET com RDS(on)​=0.05Ω. Calcule a potência dissipada pelo MOSFET apenas devido à condução.
4. Qual a principal função de um resistor de gate (RG​) em um circuito de acionamento de MOSFET? Cite duas funções.
5. Explique por que um MOSFET de potência frequentemente requer um gate driver dedicado, enquanto um MOSFET de sinal menor pode ser acionado diretamente por um microcontrolador.
6. Descreva como a temperatura de operação de um MOSFET é impactada pela sua dissipação de potência e pela resistência térmica do encapsulamento e do dissipador.
7. Em qual cenário o uso de um MOSFET para acionamento de uma válvula solenoide seria mais vantajoso que um BJT, considerando a corrente e a tensão de operação?
8. Qual a principal aplicação do MOSFET em circuitos de controle de potência que envolvem Modulação por Largura de Pulso (PWM)? Por que ele é adequado para isso?
9. Um MOSFET está chaveando uma carga em alta frequência. Se o gate driver for muito lento, quais seriam as consequências para o MOSFET em termos de eficiência e temperatura?
10. Pesquise e explique brevemente o que é Miller Plateau em um MOSFET e como ele se relaciona com a necessidade de um gate driver.