Eletrônica Industrial
Aula01:  Transistor com Chave

MicroCap8: Faça Download e simule On Line

1. Comparação com Chave Mecânica 

            Quando comparada com uma chave mecânica , uma chave eletrônica apresenta vantagens e desvantagens.

            Vantagens: 

• Não apresenta desgastes  
• Dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.  
• Não apresenta arco voltaico  
• Velocidade de comutação muito alta
  
  
  Desvantagens: 

• Apresenta uma pequena queda de tensão pois tem uma pequena resistência ao conduzir.  
• Apresenta uma pequena corrente de fuga (nA) quando aberta.  
• Dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.

OBS: Os principais dispositivos semicondutores usados como chave são o transistor e os tiristores

A Fig 2mostra os dois tipos de transistores com os seus símbolos .Um transistor pode operar em uma das seguintes regiões de operação :

Região ativa ou de amplificação  

Região de Corte  

Região de Saturação 

             Quando operando na região ativa ou região de amplificação o transistor opera como amplificador, isto é , existe linearidade entre as suas correntes valendo a seguinte relação   I_C = b.I_B, isto é, a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base, se I_B dobrar de valor I_C também dobra. A constante de proporcionalidade b (beta) é um dos parâmetros do transistor muitas vezes  encontrado nos manuais como h_FE, sendo que o seu valor não é o mesmo para um determinado tipo de transistor podendo variar numa razão de 1:5 para um mesmo tipo de transistor.  

2. Região de corte

  Na região de corte todas as correntes são aproximadamente nulas (nA para transistor de Sí e mA  para transistor de Ge) e o transistor comportará como uma chave aberta.

Para cortar um transistor basta fazer  V_BE £ 0 para transistor de Sí ou   V_BE£ -0,4V para transistor de Ge (caso orientação em contrário neste livro usaremos sempre transistor de Sí ).A Fig2 mostra um transistor polarizado no corte e o modelo equivalente simplificado (chave aberta).

3. Região de Saturação

Quando saturado o transistor simula um chave fechada. A corrente de coletor é constante  valendo a seguinte relação entre I_C e I_B em um transistor saturado:   I_C £ b.I_B. 

Para saturar um transistor a corrente de base deve ser maior  ou  pelo menos igual à um determinado valor especificado pelas curvas características de coletor. A Fig4:  mostra um transistor saturado e o circuito equivalente (chave fechada).

Para compreenderemos melhor como um transistor passa do corte para a saturação ou vice-versa, consideremos a configuração emissor comum e as curvas características de coletor  mostradas na Fig5.

Inicialmente com V_BB = 0 e como  I_B = (V_BB - V_BE)/R_B @ V_BB/R_B  o transistor estará cortado, isto é, I_B= 0 e I_C = 0 o ponto de operação estará localizado abaixo da reta de carga, ponto B, e nestas condições V_CE = V_CC o transistor se comportará como uma chave aberta, existirá apenas uma pequena corrente de fuga da ordem de nA,  caso o transistor seja de Sí. Aumentando V_BB, aumentaremos  I_B ( não esqueça I_B = V_BB/R_B)  e o transistor entra na  região ativa, onde I_C = b.I_B. Se I_B aumentar, I_C aumenta na mesma proporção, porém existe um valor de I_B para o qual um aumento adicional em I_B não provocará aumento em I_C, dizemos que o transistor saturou. No gráfico da Fig5 essa corrente é I_B4. A saturação é portanto caracterizada por    I_C £ b.I_B, onde

I_C =V_CC/R_C é a corrente de coletor na saturação (estamos admitindo que V_CE = 0). Para saturar deve ser observada a condição    I_B ³I_C/b=V_CC/b.R_C.
Como já foi dito, na prática, o valor de b pode variar muito de transistor para transistor, de um mínimo (b_min) até um máximo (b_Máx), para garantir a saturação do transistor devemos usar o  b_min.

            Exemplo 1: calcular R₄ e R₃ no circuito para que o transistor sature com I_C = 10mA. Considerar transistor de Si com  b_min = 100 , V_Besat = 0,7V e V_Cesat = 0.

Solução: I_Csat = 10mA =V_CC/R_C         logo       R₃ =12V/10mA =1K2

Para saturar  I_B ³ I_Csat / b_min = 10mA /100 = 0,1mA    adotando  I_B = 0,2mA       e    como
R₄ = (V_BB - V_BE)/I_B = (5 – 0,7)/0,2mA = 21,5K    adotamos o valor comercial imediatamente abaixo (aumenta mais ainda a garantia se saturação ) no caso  R₄ = 18K.

Exemplo 2: Dimensionar R₂ para o transistor acionar o relê . Dados: Relê 12V/40mA     b_min =100 V_Besat= 0,7V.

Solução:  I_Csat = 40mA     para saturar o transistor   I_B³ I_Csat/ b_min = 40mA/100 = 0,4mA.

Clique na figura para baixar o arquivo MicroCap

Por  outro lado  R₂ £ (12 – 0,7)/0,4 = 11,3V/0,4mA = 28,25K   e para dar uma garantia adicional adotamos  R₂ = 15K.
Obs: a finalidade do diodo em paralelo com a bobina do diodo é eliminar a fcem gerada na bobina quando o transistor corta.

Reles de Corrente Continua

O relé é  um dispositivo eletromecânico que permite controlar uma corrente de grande valor a partir de uma pequena corrente. São constituídos de uma bobina e de um sistema de contatos que podem ser abertos (ou fechados) quando uma corrente (continua ou alternada) passar pela bobina. A figura 1a a seguir mostra, de forma simplificada um relé para CC na condição de repouso (ausência de corrente na bobina).

                         ( a )                                 ( b )                                ( c )

Fig6: ( a ) rele na condição de repouso  ( b ) relé energizado ( c ) simbologia

O principio de funcionamento é baseado no eletromagnetismo. Quando uma corrente percorre uma bobina a mesma se transforma em um eletroímã, que atrairá uma peça metálica do relé chamada de armadura. Na ausência de corrente não existirá força magnética, o que faz a mola manter o contato aberto (NA). Existem reles com operação inversa, isto é, o contato é normal fechado, e quando a bobina é energizada o contato abre. Existem reles que podem ter os dois tipos de contato.

Para atracar a corrente tem um valor diferente do valor para desligar, isso porque tem de vencer a inercia da massa do contato alem disso o circuito magnetico apresenta uma relutancia (resistencia) maior. Por exemplo para atracar I_ON=40mA e para desligar   I_OFF=10mA.

4. Experiência 01: Transistor como Chave

4.1. Abra o arquivo   Exp01 MicroCap8 ou Exp01 Multisim2001        e  identifique o circuito da  figura a seguir. Inicie a simulação.

4.2. Para cada posição da chave meça a tensão de coletor, a corrente de base e de coletor identificando a região de operação.

Tabela I

4.3. Abra o arquivo Exp01b MicroCap8  e identifique o circuito da figura a seguir. Para verificar o funcionamento feche/abra a chave (clique na mesma). Anote as correntes no relé e no LED.

I(relé)=________    I(LED)=________

4.4.  A figura a seguir mostra aplicação onde o relé funciona como interface de potencia entre a saida de um circuito digital (poderia ser a saída de um micro controlador, microprocessador, CLP ou outro circuito). Abra o arquivo Exp01c MicroCap8 inicie a simulação e verifique a operação do circuito. Descreva o funcionamento do circuito.

4.5. Conclusões:

Questões:

1. Quais as vantagens de chaves eletrônicas em relação às chaves mecânicas?

2. Cite uma aplicação para transistor sendo usado como chave