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O transistor bipolar como chave.
Um transistor bipolar de junção (BJT) pode operar como chave eletrônica, bastando pa- ra tal polarizá-lo de forma conveniente: corte ou saturação. Quando um transistor está saturado opera como um curto (chave fechada) entre o coletor e o emissor de forma que VCE ≅ 0V e quando está no corte, opera como um circuito aberto (chave aberta) entre o coletor e o emissor, de forma que VCE ≅ VCC. No ponto de saturação (chave fechada) a corrente de base é alta (IB SAT) e no ponto de corte (chave aberta) a corrente de base é zero. Veja na figura a seguir um transistor operando como chave eletrônica e na subseqüente sua respectiva reta de carga.
Q
RC
RB
1
2
VCC
1
2
VBB
SW
(^00 2 4 6 8 10 )
1
2
2.5 x 10
-3 (^) RETA DE CARGA
VCE
IC
Satu- ração
Corte
Para obter o extremo superior da reta de carga (corrente Ic de saturação) devemos supor um curto entre coletor e emissor (VCE = 0), de forma que praticamente toda a tensão de alimen- tação se fixe no resistor de coletor. Teremos então: IC = VCC / RC e VCE = 0. Para obter o extremo inferior da reta de carga (corte), devemos supor os terminais de coletor e emissor abertos. Teremos então: VCE = VCC e Ic = 0. Fica então caracterizado que o transistor opera apenas em um dos extremos da reta de carga: corte ou saturação. Podemos então, tomando como exemplo o circuito mostrado anteriormente, calcular a corrente de base e a corrente de coletor. Aplicando LKT para calcular a corrente de base, temos:
ᠵ〃 㐄
IBRB +VBE - VBB = 0 onde:B
OBS: VBE típica é da ordem de 0,7V
Supondo VBB = 5V e RB = 1500Ω, a corrente de base (IB) será: IB = (5V - 0,7V) / 1500Ω = 2,9mA
Para calcular a corrente de coletor podemos aplicar LKT na malha VCC, VRC e VCE, onde teremos: VCC - VRC - VCE = 0 VRC = VCC - VCE IC = VRC / RC ou IC = (VCC - VRC) / RC
No chaveamento eletrônico com transistores, devemos levar em conta dois tipos de sa- turação: fraca e forte. Na saturação fraca, a corrente de base é suficiente para levar o transistor à saturação. Tal procedimento porém não é aconselhável visto que pode haver uma variação de βCC e na própria corrente de base de saturação (IB SAT). Utiliza-se normalmente a saturação forte, que assegura a condição de saturação para to- dos os valores de βCC. Uma regra prática é considerar a corrente de base como 1/10 da corrente de saturação de coletor. Desta forma, supondo que ICSAT = 30mA, então será fixada uma corrente de base de 3mA (relação 10:1).
Tomemos como exemplo o circuito abaixo, onde verificaremos se o mesmo está ope- rando como chave eletrônica.
a) Considerando uma tensão de controle (Vcont) igual a zero (chave no ponto B), a cor- rente de base será igual a zero (condição de corte) e a corrente de coletor será igual a zero. Nestas condições o transistor operará como uma chave aberta e a tensão no resis- tor de coletor será zero, pois RC = RCIC; logo, a tensão entre coletor e emissor será igual a 12V, pois VCE = VCC - VRC.
Note que o transistor não é uma chave tão perfeita, pois VCESAT (apesar de muito peque- no) não é igual a zero embora, na prática, possa ser considerado como zero.
Comparando a corrente de base com a corrente de coletor, verifica-se que esta última é cerca de 10 vezes maior do que a corrente de base, o que assegura a saturação para uma vasta gama de βCC.
Em uma saturação forte IB ≅ Ic/
Regras para projetos Na grande maioria dos casos, a tensão de controle ( Vcont ) é fornecida por um circuito digital o qual entrega nível baixo (≅ 0V) ou nível alto (≅ +5V). Usando transistor NPN como no exemplo abaixo, o trasistor estará no corte com Vcont ≅ 0V e estará saturado com Vcont ≅ +5V.
Vcont é um sinal digital
Q BC
RC 470R
RB 2k
SW1 (^) Vcont
1
2
VCC 12V
1 2
VBB
6V
A
B
mA
+25.
mA
+2.
Q1 BC
RC
Vcont RB
1
2
VCC 12V
Embora na maioria dos casos os níveis de Vcont sejam os citados acima, poderemos
encontrar outros.
Para projetarmos um circuito usando o transistor como chave, devemos primeiramente
conhecer as características da carga a ser chaveada (tensão, corrente e resistência nominais) e
os níveis assumidos pela tensão de controle (alto e baixo).
Exemplo:
No circuito abaixo temos um relé cuja bobina tem tensão nominal de 12V e corrente nominal
de 30mA. O nível baixo da tensão Vcont (VL) é aproximadamente 0V (VL ≅ 0V). O nível alto
(VH) é de aproximadamente +5V (VH ≅ +5V). Vamos calcular o valor de RB.
Acionamento de relé controlado por circuito digital
Solução:
Vamos primeiramente calcular a resistência da bobina
RL = VL / IL
RL = 12V / 30mA
RL = 12 / 3 x 10-
RL = 400Ω
Podemos determinar o valor de RB pela equação abaixo
U
NOR
U
NOR
U
NOT
U
AND
/B
U
NOT
U
OR
RL1 12V
Q
+12V
RB
D
Exemplo de aplicação em instrumentação
Sensor de líquidos com saída a relé
O circuito acima é um sensor para detectar a presença de líquidos (água por exemplo)
em um reservatório.
Na ausência de liquido entre os eletrodos 1 e 2, não haverá corrente de um para outro e
consequentemente o transistor Q1 (PNP) estará no corte com VCE = 12V e a tensão no resistor
R2 será 0V. A tensão de 0V em R2 será o VL para Q2 (NPN) levando-o também ao corte.
Na presença de líquido este oferecerá uma resistência de alguns a algumas dezenas de kΩ de um eletrodo para outro conduzindo uma corrente de base suficiente para saturar Q1.
Com Q1 saturado, R2 receberá uma tensão praticamente igual a 12V (VH) que saturará Q
atracando o relé.
Saída PNP
Na próxima figura temos um sensor com a mesma finalidade do primeiro. A diferença é
que na saída, ao invés do relé temos o transistor Q2 (PNP) como chaveador de carga. A carga
desse sensor deve ser ligada entre saída e terra.
Q
+12V
R 5k
R Elet1 1k
Elet2 R3 Q 3k
RL 12V D
NA NF COM
Sensor de líquidos com saída PNP
Saída NPN
Na figura abaixo temos um sensor com a mesma finalidade do primeiro e do segundo.
A diferença é que na saída, ao invés do relé ou do transistor PNP temos o transistor Q2 (NPN) como chaveador de carga. A carga desse sensor deve ser ligada entre saída e positivo da ali-
mentação.
Q
+12V
R
2k
R
1k
Elet
Elet
Q
Saida
D
