O Poto Voltaic Isolator (PVI) da International Rectifier é um novo componente optoeletrônico que possui características que podem simplificar muitos projetos eletrônicos, principalmente envolvendo MOSFETs de potência. Veja neste artigo o que é este novo componente, suas principais características e como ele pode ajudar em novos projetos.
Os acopladores ópticos comuns utilizam dispositivos semicondutores como foto - transistores, foto - diacs e outros que possuem características que não casam de forma ideal com componentes de alta impedância de entrada como MOSFETs de potência. Isso faz com que os projetos que devam unir estes dois tipos de componentes envolvem um interfaceamento com diversos componentes externos.
O PIV é uma solução optoeletrônica que muda o conceito de acoplamento óptico, usando uma célula fotovoltaica (fotocélula) em lugar de receptores de luz convencionais, conforme mostra a figura 1.
Figura 1
Qual é a vantagem disso? De que modo as características de uma fotocélula pode ajudar na elaboração de circuitos que utilizem dispositivos de alta impedância como, por exemplo, MOSFETs de potência?
Podemos fazer uma pequena comparação com as soluções tradicionais em alguns casos bem conhecidos:
Um oscilador que use um transformador com retificador usará 6 a 7 componentes externos, terá uma partida lenta, irradiará ruído elétrico e acústico.
Uma solução do tipo “charge pump” deve usar diodos comutadores e capacitores para gerar a tensão.
Usando PVIs estas configurações podem ser simplificadas, já que o número de componentes externos será reduzido até zero em alguns casos.
O PVI
Na figura 2 temos o invólucro de um PVI da International Rectifier, com as terminações típicas.
Figura 2
O coração do PVI é um conjunto de fotocélulas de silício que são posicionados a uma distância de 1 mm de um LED de arseneto de gálio de alta intensidade e estabilidade.
Montados numa cavidade de plástico óptico essa disposição possibilita uma transferência máxima de energia de um para outro. Na figura 3 temos o circuito equivalente típico de um PVI.
Figura 3
Apesar da tensão em aberto das fotocélulas chegar aos 5 V, sua capacidade de corrente é muito pequena. Como as fotocélulas equivalem a diodos em série, temos uma elevada resistência interna a considerar o que reduz a capacidade de transferência do dispositivo numa relação de aproximadamente 1000:1.
Podemos considerar o circuito como formado por 10 diodos ligados em série, os quais ao serem “iluminados” geram uma tensão de saída.A presença desses diodos também fazem com que o dispositivo apresente um coeficiente negativo de temperatura.
A proximidade dos dois dispositivos, LED e fotocélula também agrega duas características importantes que devem ser consideradas nesse dispositivo. A capacitância entre a entrada e saída é de 1 pF e a tensão de isolamento chega aos 2 500 V.
A própria estrutura da fotocélula também representa uma capacitância interna Cg que tem influência nos tempos de comutação do dispositivo. Tempos da ordem de 220 microssegundos podem ser conseguidos dependendo da resistência de carga e da capacitância. Na figura 4 temos as curvas típicas que representam as características de saída do PIV.
Figura 4
Para efeito de projeto, o PIV pode ser representado como uma fonte de tensão variável com uma resistência interna da ordem de 500 k ohms.
Aplicações
A International Rectifier sugere diversas aplicações práticas para o PIV.
Considerando que sua potência de saída é da ordem de 50 microwatts, com uma tensão que chega aos 5 V, pode ser necessário fazer sua associação em série para se obter maiores tensões de excitação, por exemplo 10, 15, 20 ou 25 V, conforme mostra a figura 5.
Figura 5
Um fato de grande importância para os projetistas é que as características de saída do PIV casam com as características de entrada dos MOSFETs de potência.
Como a comporta (gate) dos MOSFETs podem ser consideradas um capacitor, isso em conjunto com a resistência interna dos PIV vão determinar o tempo de comutação do circuito.
Assim, para o IRF620, um dos mais conhecidos MOSFETs de potência onde a capacitância de entrada é de 600 pF, com um PIV comum pode-se obter um tempo de comutação de 150 microssegundos. As velocidades de comutação típicas obtidas com PIVs e MOSFETs comuns, em geral, são inferiores a 200 microssegundos.
Damos a seguir alguns circuitos práticos usando PIVs:
a)Circuito Simples de Comutação
Na figura 6 temos um circuito simples de comutação usando um PIV onde a entrada de sinal é compatível com lógica TTL.
Figura 6
Se bem que neste exemplo o circuito de potência e a entrada de excitação tenham um terra comum, na prática isso não é necessário. Como o isolamento chega aos 2 500 V o dispositivo pode ser usado como um eficiente transformador de isolamento.
b)Chave AC
Na figura 7 temos uma forma eficiente de se controlar circuitos AC a partir de níveis lógicos.
Figura 7
As perdas de condução são muito baixas devido às características dos MOSFETs de potência.
c)Trava de Baixa Potência
Na figura 8 mostramos como obter um circuito com trava usando um PIV.
Figura 8
O pulso de entrada dispara o MOSFET de potência fazendo com que o LED usado como carga acenda. Nestas condições o LEDV realimenta a comporta do MOSFET mantendo-o em condução mesmo depois que o sinal de entrada tenha sido retirado..
d)Detector de Sentido de Corrente
Na figura 9 temos uma outra aplicação em que dois PIVs são usados para sensoriar o sentido de circulação de uma corrente.
Figura 9
Dependendo do sentido da corrente, um ou outro LED dos dois PIVs acende, determinando assim qual dos MOSFETs de potência vai ser disparado e qual das cargas vai ser alimentada.
O resistor ligado em série com os LEDs dos PIVs deve ter seu valor determinado pelas suas características sendo o valor típico para 5 V, 240 ohms. A partir destes valores de referência podem ser calculados os resistores para monitorar qualquer intensidade de corrente sob qualquer tensão.
e)Fonte AC/DC
Na figura 10 temos uma outra aplicação interessante do PIV, sendo usado como referência de tensão a partir da rede de energia.
Figura 10
Este circuito também pode ser usado na alimentação de displays de cristal líquido diretamente a partir da rede, com tensões de saída de 5 ou 10 V. Para 10 V basta ligar duas fontes de 5 V em série.
O ponto forte deste circuito é sua estabilidade inerente que faz com que ele produza uma tensão de saída que varia menos de 10% mesmo quando a tensão de entrada varia entre 24 V e 240 V.
f) Excitador para ponte H
A aplicação final para os PIVs é sugerida na figura 11 e consiste num drive para ponte H.
Figura 11
Uma das aplicações mais importantes do controle de movimento é a que faz a reversão do sentido de circulação em motores DC através da configuração conhecida como ponte H. Com o uso de PIVs o projeto de controles para estas pontes pode ser simplificado, com a vantagem adicional que se obtém um elevado isolamento entre os circuitos de excitação e o circuito de carga, conforme mostramos no exemplo da figura 11.
O mesmo tipo de configuração também pode ser adaptada para controle de motores de 3 e 4 fases.
Conclusão
As características de elevada impedância de saída e isolamento dos PIVs sem a necessidade de uma fonte externa de energia para polarizar o circuito receptor fazem o casamento perfeito com os MOSFETs de potência. Com poucos componentes externos em um invólucro muito pequeno, os PIVs devem ser examinados como solução possível para uma boa quantidade de projetos.
