1. O documento descreve um relatório de laboratório sobre o uso de MOSFETs como chaves para gerar uma tensão CC variável. 2. Foi implementado um circuito com um temporizador 555, um transistor BC549C e quatro MOSFETs IRF640 em uma ponte H para gerar e controlar a tensão variável. 3. Os resultados mostraram as formas de onda geradas nos diferentes estágios do circuito com uma frequência de 66Hz calculada.

1. 1
UNIVERSIDADE FEDERAL DO VALE DO SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
DISCIPLINA: Projetos de Circuitos Analógicos
PROFESSOR: José Americo de Souza Moura
2º RELATÓRIO
DE LABORÁTÓRIO DE ELETRÔNICA INDUSTRIAL
“Aplicabilidade do MOSFET como Chave para
Geração de uma Tensão CC Variável”
Aluno: Audenor Júnior
Curso: Engenharia Elétrica
Data: 27/04/2017
Juazeiro-Bahia

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SUMÁRIO
1. OBJETIVOS...................................................................................................... 3
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA .............................................................................. 3
3. MATERIAL UTILIZADO................................................................................ 4
4. PROCEDIEMNTO EXPERIMENTAL E DISCUSSÃO TEÓRICA ............... 4
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES................................................................... 10
6. CONCLUSÕES ............................................................................................... 12
7. REFERËNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................ 12

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1. OBJETIVOS
Utilizar da Aplicabilidade dos MOSFETs como chaves para gerar uma
carga com sinal de tensão CC variável.
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA
O conversor DC para DC- ou chopper, como costuma ser denominado – é
usado para obter uma tensão DC variável a partir de uma fonte de tensão DC
constante. O valor médio da tensão de saída varia quando s e altera a proporção
do tempo no qual a saída fica ligada à entrada. Essa conversão pode ser obtida pela
combinação de um indutor e/ou um capacitor em dispositivo de estado sólido que
opere no modo de chaveamento em alta frequência. Em aplicações de alta tensão e
alta corrente, os dispositivos de chaveamento usados em circuitos chopper são os
tiristores. Quando se usam transistores de potência – BjTs (bipolar junction
transistors – transistores bipolares de junção) ou MOSFETs (metal-oxide
semiconductor field effect transistors – transistores de efeito de campo metal-
oxido-semicondutor) ou tiristores GTO (gate-turnoff thyristors – tiristores de
desligament por porta), pode se passar para o estado desligado com facilidade.
Basta controlar a corrente de base ou de porta. Os tiristores utilizados em circuitos
DC devem passar para o estado desligado via comutação forçada, uma vez que não
tem a facilidade da comutação natural, como ocorre nos circuitos AC.
A técnica de chaveamento usada em choppers DC é denominada PWM
(pulse-width modulation – modulação por largura de pulso). Há duas espécies
fundamentais de circuitos chopper: step-down ou busck e step-up ou boost. O
chopper buck produz uma tensão de saída menor ou igual à tensão de entrada; o
chopper boost fornece uma tensão de saída maior ou igual a tensão de entrada.
Ambos são usados em várias aplicações industriais, nas quais há uma fonte
constante. As aplicações típicas incluem controle de motores DC para tração
elétrica, chaveamento de alimentadores de potência e equipamentos operados por
bateria.

4. 4
3. MATERIAL UTILIZADO
 04 MOSFETs IRF640;
 01 TBJ BC459C;
 01 Temporizador 555 NE555P;
 Resistores;
 01 Fonte Simétrica de +12
 01 Multímetro Digital CA;
 Cabos Conectores;
 01 Placa de Prototipagem (Protoboard);
 01 Osciloscópio.
4. PROCEDIEMNTO EXPERIMENTAL E DISCUSSÃO TEÓRICA
O experimento proposto foi dividido em três partes. A PARTE I,
denominada de Circuito Gerador de Onda foi realizada utilizando o Circuito
Temporizador 555, NE555NP da Texas. A sua polarização e pinagem estão
representadas na Figura 02.
. (a) (b)
Figura 02. (a) Pinagem do NE555NP. (b) Polarização do NE555NP.
A PARTE II, denominada de Circuito Inversor foi implementado utilizando
um Transistor Bipolar de Junção (TBJ) BC549C da Texas. A sua simbologia e
representação real estão representadas na Figura 03.

5. 5
. (a) (b)
Figura 03. (a) Simbologia do BC549C. (b) Pinagem do BC549C.
A PARTE III, denominada de Circuito de Controle foi feita utilizando
Transistores de Efeito de Campo Metal Oxido Semi-Condutor (MOSFETs) IRF
640 da IOR. A sua simbologia e pinagem estão representadas na Figura 03.
. (a) (b)
Figura 04. (a) Simbologia do IRF 640. (b) Pinagem do IRF 640
As PARTES I, II e III estão interconectadas e são dependentes umas das
outras. A primeira e a segunda PARTE que são os Circuitos Gerador e Inversor,
respectivamente, servem de entrada para a terceira PARTE.
PARTE I – Circuito Gerador de Onda.
O circuito interno do Temporizador 555 da Figura 01 está representado na
Figura 05. O circuito consiste em dois comparadores, um flip-flop SR e um
transistor Q1 que funciona com uma chave. É necessária uma fonte de
alimentação (VCC) para seu funcionamento, com um valor típico de 5V. Um
divisor de tensão resistivo, consistindo em três resistores de valores iguais
denominados R1, está conectado na fonte e alimentação VCC estabelece as tensões
de referência (limiares) para os dois comparadores. Eles são VTH = 2/3VCC para o
comparador 1 e VTL = 1/3VCC para o comparador 2. [1]

6. 6
De acordo com a Figura 01(b), o Temporizador 555 necessita de três
resistores e uma tensão VCC de alimentação para a sua polarização e
funcionamento. Os resistores RA e RB servem para determinar a frequência de
oscilação do CI, ou seja, determina-se a frequência desejada, depois fixa-se um
valor para um dos resistores e o valor do outro resistor é calculado de acordo com
a Equação 4.1. Além de definir um valor de Capacitância C.
( )
4.1
Para este experimento, foi solicitada uma frequência de 60Hz. O resistor
RA e o capacitor C foram fixados em 1kΩ e 1µF, respectivamente. Logo:
( )
4.2
Na prática foram utilizados para RA, dois resistores de 2,2 kΩ em paralelo que
resultou em uma resistência de 1,1 kΩ e para RB, um resistor de 11kΩ, o que gerou
um frequência de 66 Hz. O resistor RL ou resistor de carga foi de 2.2 kΩ. Por fim,
a tensão CC de 12V foi utilizada para a alimentação do Temporizador.
A saída (output1) do Temporizador, que é o sinal medido no pino 3, foi
utilizada como entrada em ambos circuitos das PARTES II e III. Essa saída é uma
onda quadrada CC com 12 V de amplitude.
PARTE II – Circuito Inversor.
O Transistor da Figura 03 foi configurado como Emissor Comum (EC) de
acordo com a Figura 05.
Figura 05. Modo Emissor Comum do TBJ.

7. 7
A entrada (input2), que é a saída (output1), desse circuito é conectada na
base (B) do TBJ, que por sua vez é conectada a um resistor RB de 20 kΩ. A saída
(output2) é a própria tensão de coletor (C) VC, que é conectado a um resistor RC de
1,8 kΩ, que por sua vez é alimentado por uma tensão CC de 12 V. A entrada do
EC é entre a base e o emissor, que está aterrado e a saída ´entre o coletor e o
emissor. Por essa razão, esse amplificador é chamado de emissor comum ou
transistor com emissor aterrado. [1]
Para calcularmos os resistores RB E RC utilizou-se a Equação 4.3.
A tensão de base VB = VBE = 0,7 V, que é a queda de tensão característica
da Junção Base-Emissor JEB tem que ser maior ou igual à tensão de coletor VC, o
que fará com que essa junção seja polarizada Diretamente e o TBJ atue no modo
de Operação de Saturação de acordo com a Tabela 01.
Tabela 01: Modos de Operação para o Transistor
JEB JCB MODO
Reversa Reversa CORTE
Direta Reversa ATIVO
Direta Direta SATURAÇÃO
Isso porque a Junção Base-Emissor (JEB) nunca saíra da polarização direta, já que
o emissor está aterrado e a tensão de entrada input2 na entrada da base (B), que é a
saída do Temporizador, nunca será negativa., logo, o modo de operação do
transistor dependerá exclusivamente da junção Coletor-Base (JCB).
Fixou-se um valor de resistência para RB = 20 kΩ e de acordo com a
Equação 4.4 calculou-se a corrente de base IB, para input2 = 12 V.
4.3
4.4

8. 8
Para o prosseguimento dos cálculos é necessário as equações 4.5.
Utilizando o datasheet verificou-se que os valores de 𝛽 mínimo e máximo é
100 e 800, respectivamente. Para os cálculos utilizou-se um 𝛽 mínimo 100.
Calculou-se IC que resultou em 5,65 mA, de acordo com a Equação 4.5(a). Para
determinar um valor de resistência mínimo para RC é necessário que VC na
Equação 4.3 seja igual ou maior a 0,7 V, logo:
Dessa forma qualquer valor de resistência igual ou maior que 2 kΩ fará
com que a JCB esteja polarizada Diretamente e consequentemente o TBJ estará
saturado. Na pratica foi utilizado uma resistência de 1,8 kΩ para RC. Quando VB
for 0 V não existirá corrente de base, IB = 0 A.
Resumindo, quando input2 for máxima, ou seja, 12 V, uma corrente de base
IB resultará em uma corrente de coletor IC, que fará com que a tensão de coletor VC
seja menor ou igual à tensão de base VB e quando input2 for mínima, ou seja, 0 V,
a corrente de base IB será nula e consequentemente IC também será nula, dessa
forma não existirá queda de tensão em RC, logo VC = 12 V e o TBJ estará atuando
no modo de Operação Ativo de acordo com a Tabela 01.
O TBJ no modo emissor comum foi utilizado para inverter a forma de onda
proveniente da saída do Temporizador 555.
A saída (output2) do TBJ, que é o sinal medido no coletor (C), foi utilizada
como uma das entradas do circuito da PARTE III. Essa saída é uma onda quadrada
CC com 12 V de amplitude invertida da onda quadrada da saída do Temporizador.
PARTE III – Circuito de Controle.
Foram utilizados quatro MOSFETs, iguais aos da Figura 04, como uma
Ponte H. De acordo com a Figura 06.
𝛽 ( ) ( )
𝛽
( ) 𝛽 ( ) 4.5
4.6

9. 9
(a) (b)
Figura 06. (a) Ponte H de MOSFETs. (b) Analogia de Chaveamento.
Um MOSFET é um transistor de chaveamento rápido, caracterizado por
uma alta impedância de enteada. Ele tem três terminais: a porta G, a fonte S e o
dreno D. A fonte está sempre em um potencial próximo da porta. O dreno é ligado
à carga. Para a configuração desse dispositivo, o dreno torna-se positivo em
relação à fonte e uma tensão pequena positiva (VGS) aplicada na porta. Não
havendo tensão na porta, a chave fica desligada, ou seja, é a tensão da porta que
controla as condições ligado e desligado.[2]
Em conformidade com o funcionamento do MOSFET descrito
anteriormente, pode-se descrever o funcionamento da ponte H da Figura 06. Essa
Ponte é um circuito de Eletrônica de potência do tipo chopper que converte uma
fonte fixa de corrente continua variável, e , portanto, pode determinar o sentido da
corrente, e ainda utilizando do método de PWM pode-se determinar a tensão
média fornecida a carga (motor). Baseado na Figura 07 será explicado o
funcionamento da Ponte H.
(a) (b)
Figura 07. (a) Chaveamento 1. (b) Chaveamento 2
Acionando-se em conjunto, as chaves S1 e S4, o terminal direito do motor
fica com uma tensão mais positiva que o esquerdo, fazendo a corrente fluir da
direita para a esquerda (Figura 07(a)). Acionando-se em conjunto as chaves S3 e
S2, o terminal esquerdo do motor fica com uma tensão mais positiva que o direito,
fazendo a corrente fluir da esquerda para a direita (Figura 07(b)),[3]

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Ao acionar em conjunto as chaves S1 e S3 ou S2 e S4 provoca-se um curto
nos terminais do motor. As chaves S1 e S2 não podem ser fechadas
simultaneamente assim como as chaves S3 e S4. Pois o fechamento em conjunto
de tais chaves causaria um curto na fonte de alimentação, este curto pode ser
controlado por PWM.
O acionamento das chaves é realizado pelas entradas A e B provenientes
dos Circuitos Gerador e Inversor das PARTES I e II, respectivamente. Dessa
forma a saída output1 foi conectada a entrada A do circuito da Figura 06(a) que
por sua vez é a tensão da porta G dos MOSFETs T1 ou S1 e T4 ou S4 e a saída
output2 foi conectada a entrada B do circuito da Figura 06(b) que por sua vez é a
tensão da porta G dos MOSFETs T2 ou S2 e T3 ou S3.
5. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Tendo em vista todo o fundamento teórico e cálculos descritos
anteriormente, foi implementado como pode ser observado na Figura 08.
Figura 08. Implementação Prática das PARTES I, II e III do experimento.
As formas de onda para a frequência de 66 Hz, calculada na PARTE I,
estão apresentada na Figura 09. A forma de onda 1 é a saída do Temporizador 555,
a 2 é a saída do TBJ e m é a subtração da forma de onda 2 com a 1 . Observa-se
que o duty cucle da forma de onda 1 está 5 ms maior que o duty cycle da forma de
onda 2, o que ocasionou uma rotação do motor apenas em um sentido.

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Figura 09. Formas de Onda das Saídas e da Resultante da Carga para f=66 Hz.
As formas de onda para a frequência de 1,46 Hz, que foi originada
substituindo a resistência RB de 1,2 kΩ por uma resistência de 680 MΩ, estão
apresentada na Figura 10. A forma de onda 1 é a saída do Temporizador 555, a 2 é
a saída do TBJ e m é a subtração da forma de onda 2 com a . Observa-se que o
duty cucle das formas de onda 1 e 2 são iguais, o que ocasionou uma rotação
alternada do motor, aproximadamente 0,7 s em um sentido e 0,7 s no outro
sentido.
Figura 10. Formas de Onda das Saídas e da Resultante da Carga para f=1,46 Hz.

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6. CONCLUSÕES
Em acordo com os tópicos dos resultados apresentados neste relatório sendo
sempre explicados minuciosamente, foi possível estudar a Aplicabilidade dos
MOSFETs como chaves para gerar uma carga com sinal de tensão CC variável. A
aprendizagem prática é fundamental para a fixação do conteúdo absorvido em sala
de aula, de forma que a prática deste experimento contribuiu significativamente
para o aprendizado do funcionamento de um chopper.
7. REFERËNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] SEDRA, A. S., and K. Smith. "Microeletrônica (Vol. 5ª Edição)." Editora
Pretince Hall, 2007.
[2] AHMED, Ashfaq, Eletrônica de Potência. tradução Bazán Tecnologia e
Linguistica; revise técnica João Antonio Martino. São Paulo: Pearson Prentice
Hall, 2000.
[3] MAIMON, Felipe. Projeto de um Sistema Eletrônico para o Controle de
Motores de Alta Potência por PWM. PUC Rio. 2004.