Resposta do Desafio Nome: José Flávio Barbosa de Andrade Que componentes eletrônicos comerciais podem ser utilizados para proteção de inversão de polaridade de bateria que permitam a passagem de 80 A (Nominal), não utilize relês e que dissipe <= 7 (sete) Watts?

Existem algumas formas de realizar a proteção de inversão de fontes e

baterias. A mais simples, barata e comercial se faz utilizando o dispositivo semicondutor chamado diodo. Uma solução simples é colocar um diodo em série com a bateria, conforme a figura 1. Dessa forma, uma vez que a bateria for invertida, o diodo não deixará passar corrente (dentro de sua capacidade de bloqueio - tensão de ruptura).

Figura 1

Uma das maiores desvantagens é uma queda considerável de tensão. Estes diodos retificadores normalmente tem uma queda de tensão 0,7 volts. A tensão resultante será menor em 0,7 volts e pode também variar de acordo com o díodo, a temperatura e a carga.

Outro fator a considerar é o consumo de energia extra para circuitos com

cargas altas correntes. Para correntes acima que 0,5 A pode ser necessário usar um diodo de potência maior.

Outra solução é utilizar uma ponte de diodos junto à bateria, conforme

mostra a figura 2. Dessa forma, não importa a forma com que a bateria é

colocada, sempre aplicará a mesma polaridade à carga, protegendo o circuito.

Entretanto, existe uma queda de tensão de aproximadamente 0,7 V em cada

diodo, o que resulta em 1,4 V em cada polo.

Figura 2

Um circuito de proteção melhor que a utilização do diodo de bloqueio

pode ser implementado com o uso de um transistor PNP, conforme a figura 3,

configurado como uma chave aberta. A queda de tensão através do transistor

saturado é muito menor do que a queda utilizando os diodos e o custo da do

transistor é bem acessível. Em operação normal, a tensão da base é menor do

que a tensão do emissor do transistor. Quando a polaridade da fonte é

invertida, o transistor é desligado do resto do circuito.

A desvantagem desta configuração é o fato de que há perda de potência

referente à corrente de base à taxa constante, independentemente da atual

consumo de energia do circuito. Além disso, há ainda uma pequena queda de

tensão, da mesma forma como no circuito de diodos. Para uma potência de

alimentação mais elevada, o transistor não será capaz de fornecer altas cargas

de corrente.

Figura 3

Outra forma mais eficaz de proteger a polaridade do circuito, fornecendo

uma alta capacidade de corrente com a máxima queda de baixa tensão,

dissipando uma quantidade mais baixa de potência em relação às

configurações anteriores, se faz através da substituição do transistor PNP por

um MOSFET canal P, conforme a figura 4. O FET é instalado de forma inversa

como se faria normalmente - o dreno e a fonte foram invertidos para que a

ligeira corrente de fuga através do diodo interno do FET atue no FET quando a

polaridade estiver correta e bloqueie quando estiver invertido.

Figura 4.

Se a tensão de alimentação é menor que a tensão gate-source do FET

(Vgs), pode-se instalar o FET sem o diodo e sem o resistor conectando o gate

diretamente na terra. Se o Vcc exceder a máxima tensão de Vgs então pode-se

inserir um díodo de Zener, com uma tensão inferior ao limite máximo Vgs, o

que limita a tensão a um nível seguro entre gate e source do FET. Deve-se

calcular o valor do resistor para que forneça corrente suficiente para polarizar

corretamente o diodo zener escolhido, através da corrente mínima necessária

para atingir a tensão de ruptura zener. Nesta configuração, para o fornecimento

de 80 A (Nominal), pode ser utilizado o Transistor MOSFET STP80PF55. Seu

Rds máximo é de 0.018 ohms.

A potência dissipada durante a condução, em regime de saturação, do

MOSFET é:

P = Rds*Ids²

Desprezando a potência dissipada durante o transitório de chaveamento, para

uma operação em que se dissipe até 7 Watts, a corrente máxima da carga

deve ser de 19.72 A.