Nesse post vamos falar sobre um assunto um pouco extenso, porem muito interessante, MOSFETS!
Mosfet é a sigla em inglês para "Transistor de Efeito de Campo de Metal-Óxido Semicondutor", muito resumidamente podemos definir o mosfet como uma fonte de corrente controlada por tensão.
Não vou entrar em muitos detalhes sobre o funcionamento dos Mosfets por que esse não é o foco do post, mas para resumir um Mosfet consiste num canal semicondutor interligado por dois terminais, o Drain e o Source (Dreno e Fonte em português, respectivamente).
(representação de um Mosfet de Canal N)
Podemos notar que temos um terceiro terminal chamado Gate (ou Porta em Português), ao aplicarmos uma tensão no Gate teremos ali um campo elétrico proporcional, se essa tensão for acima de um certo limite que chamamos de Tensão de Threshold (VTh) esse campo elétrico terá intensidade suficiente para induzir portadores de Carga no Substrato P, estabelecendo comunicação entre os terminais de Drain e Source por meio desses portadores de carga, quanto maior a tensão no Gate menor sera a resistência entre o Drain e o Source(RDS).
Entre a tensão de Threshold e a tensão de Saturação temos a região de trabalho onde o Mosfet vai operar de maneira similar a uma válvula Triodo.
Quem for mais observador deve ter notado que na verdade deveríamos ter 4 terminais, já que o Substrato P precisa ter uma referencia de potencial também, na verdade esse quarto terminal existe, porem na maioria dos componentes comerciais ele esta conectado junto com o terminal do Source, então a nossa tensão de referencia para o Gate sera a diferença de potencial entre o Gate e o Source (VGS)...
Mas e se o mosfet for de Canal P?? Bom, nesse caso a curva VGS x RDS sera invertida(componente esta em corte no VGS Max. e em Saturação no VGS Min.)... Isso ocorre por que os portadores de carga num material semicondutor podem ser elétrons ou lacunas (Elétrons para materiais tipo N ou Lacunas para Materiais tipo P) sendo os elétrons considerados cargas negativas e as lacunas cargas positivas... Dessa maneira um potencial que atrai portadores de carga num material N vai repelir portadores de carga num material P.
Uma grande vantagem do Mosfet é que o Gate dele é isolado (já que tem uma impedância de Entrada Altíssima), então numa situação ideal não tem circulação de corrente entre o Gate e o Canal e todo o controle do fluxo de corrente pelo componente é feito apenas controlando o potencial no Gate, dessa maneira conseguimos acionar grandes cargas com sinais elétricos muito pequenos.
Isso é uma vantagem em relação aos TBJ (Transistor Bipolar de Junção), por exemplo, um TBJ de potencia geralmente tem um Beta baixo, um Transistor Bipolar com Beta = 50 para conduzir 100 Amperes precisaria de um Driver capaz de aplicar 2 Amperes em sua Base (Ib = Ic / Beta)... O que é um valor absurdamente alto se comparado com a intensidade dos sinais de saída dos circuitos integrados que geram os sinais a serem amplificados na etapa de potencia.
Então os Mosfets são disparados por tensão, podem conduzir altas correntes, tem baixa dissipação de Energia (já que em saturação máxima muitos mosfets de potencia tem alguns mili ohms de RDS) o que confere um bom rendimento.
Se observamos bem seu aspecto construtivo veremos que temos um condutor no Gate, um isolante e outro condutor no substrato... Dois condutores separados por um isolante formam um capacitor! O valor médio dessa capacitância é informado no Datasheet do componente.
Para trabalhos como "chave" (alternando entra as zonas de corte a saturação) essa é uma característica importante.
Em analogia, supondo que temos um "capacitor" no Gate, a velocidade de carga/Descarga desse capacitor é equivalente a velocidade com que o Mosfet alterna entre seus estados de corte e saturação.
Isso significa que existe um "atraso" entre o sinal que aplicamos no Gate e a resposta do componente devido a essa curva de carga e descarga do "capacitor".
Sabemos que a potencia dissipada em um componente eletrônico pode ser expressa pela equação
P = R . I²
Isso significa que quanto mais rápido o mosfet atingir o estado de saturação máxima (onde temos o menor RDS) menor sera a potencia dissipada nele e consequentemente maior sera o rendimento geral do sistema, para isso devemos "achatar" ao máximo esses tempos de transição, pois quanto mais tempo o transistor permanecer nas zonas de transição maior sera a perda por chaveamento.
Fora outros problemas que podem ocorrer, por exemplo, imaginem que temos uma Meia ponte com 2 transistores, um pro lado positivo e outro pro lado negativo, se o driver não for capaz de escoar toda a carga acumulada no Gate do transistor da parte alta (High Side) ele pode estar no estado de transição ainda quando acionarmos o transistor da parte Baixa (Low Side), se isso acontecer ambos os transistores estarão conduzindo ao mesmo tempo, o que vai gerar um curto-circuito que no minimo vai danificar (ou diminuir a vida útil) os Transistores.
Inclusive é muito comum encontrar em fóruns de eletrônica estudantes reclamando que os mosfets de pontes H estão esquentando demasiadamente ou queimando depois de alguns minutos de trabalho.
Esse post foi mais introdutório, no próximo post vamos ver vários circuitos de Drivers para Mosfets e IGTBs bem como a teoria por trás deles e vamos falar um pouco sobre os IGBT's também.
Espero que gostem! E lembrem-se, duvidas, criticas ou sugestões deixem ai a baixo nos comentários.
Excelente explicação!
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