A chave eletrônica e suas aplicações – Autor: Clodoaldo Silva - Atualização: 17Ago2006

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Chave eletrônica

Introdução

O transistor, em sua aplicação mais simples, é usado como uma chave eletrônica, ou seja, pode ser usado para acionar cargas elétricas. A principal diferença entre o transistor e as chaves manuais é que pode ser acionado eletricamente e não manualmente como nas as chaves mecânicas.

Vantagens e desvantagens

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

Vantagens : não apresenta desgastes;

não apresenta arco voltaico; e

alta velocidade de comutação.

Desvantagens: apresenta uma pequena queda de tensão pois tem uma pequena resistência ao conduzir;

apresenta uma pequena corrente de fuga (nA) quando aberta; e

dissipa potência ao conduzir, necessitando de dissipador.

Reta de carga

A reta de carga corta as curvas características do coletor e mostra dois extremos de operação do transistor. A esses extremos denominamos de região corte e região de saturação. Veja ilustração:

A chave eletrônica

Para que o transistor opere como chave deve-se encontrar os pontos extremos da reta de carga, para encontrar esses pontos tomaremos, como referência, o circuito típico mostrado ao lado.

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Encontrando a corrente de saturação (Icsat)

Em um transistor, se aumentar a corrente de base a corrente de coletor também aumenta e com isso, VCE se aproxima da zero.

Analisando a malha (I) VCC = VRC + VCE VCC = IC.RC + VCE VCC – VCE = IC.RC

Para fins práticos, considera-se VCE = 0 o que resulta em uma nova equação:

Quando o transistor chega a esta situação, VCE ≈ 0, sua corrente de coletor não aumenta mais e diz que, o transistor esta operando na região de saturação e funciona como uma chave fechada.

Encontrando a VCE corte

O recíproco também é verdadeiro, uma vez diminuindo a corrente de base diminui-se a corrente de coletor para próximo de zero, aumentando a queda de tensão sobre VCE (junção coletor-emissor) para um valor máximo.

Continuamos analisando a malha (I) VCC = VRC + VCE VCC = IC.RC + VCE Para fins práticos, considera-se IC = 0 o que resulta em uma nova equação:

VCC ≈ VCE corte

Assim, quando VCE estiver próximo ao valor da fonte VCC o transistor opera na região de corte e funciona como chave aberta.

e quando está em corte, como uma chave aberta

Resumindo podemos dizer que quando um transistor está saturado, comporta-se como uma chave fechada A corrente de base controla a corrente de coletor

Isso pode ser facilmente observado através das curvas de coletor Ic x VCE

A corrente de base é usada como elemento de controle, podendo levar o transistor a saturação ou ao corte.

A relação entre a corrente que entra no circuito IB, e a corrente que sai IC é ganho de corrente (βDC). Veja as ilustrações:

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Note que quando a corrente de entrada IB foi 10µA a corrente de saída foi 2mA, ou seja aumentou 200 vezes, á medida que houve o aumento de corrente de base (90µA) a corrente de coletor aumentou para

18mA. A relação entre IC e IB permaneceu. A essa relação damos o nome de βDC, e pode ser encontrada nos manuais como HFE.

Como conseguir descobrir a corrente de base ? Voltamos ao nosso circuito inicial e através da malha (I) encontraremos IB. Pela lei de kirchhoff temos: VBB = VRB + VBE VBB= IB.RB + VBE

Saturação forte e Fraca

Saturação fraca ⇒ significa dispor corrente de base suficiente para levar o transistor à saturação. Tal procedimento porém não é aconselhável visto que pode haver uma variação de βDC além de variações na própria corrente de base de saturação.

Saturação forte ⇒ Significa manter a saturação em situações extremas de corrente e temperatura. Para transistores silício (baixa potência) nota-se que mesmo em situações extremas haverá um ganho de corrente superior a 10, ou seja, o βDC em situações práticas não será menor que 10.

Como regra de projeto utiliza-se a corrente de base como 1/10 da corrente de coletor, isso assegura a condição de saturação forte para todos os valores de βDC.

Chave eletrônica simples

Circuito 1 ⇒ Conhecendo o transistor e seu comportamento nas regiões de corte e saturação, pode-se então construir um circuito de comutação simples, a chave eletrônica, e analisar alguns resultados que serão úteis em diversas aplicações.

Material utilizado

Fonte de Alimentação 12 V; Transistor BC 548 NPN ou similar;

Resistores 470Ω e 5,6kΩ; e Um LED padrão que indicará se há ou não corrente no coletor.

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Chave ON/OFF aberta

Pressionando a chave ON/OFF, tem-se:

Circuito 2 ⇒ Para que não haja dúvidas sobre o funcionamento da chave eletrônica, mude a posição do LED e analise os resultados.

Chave ON/OFF aberta

Se a chave on/off estiver aberta então VBB = 0, então o transistor estará em corte ou seja chave aberta e o led estará ligado.

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Chave ON/OFF fechada

Se a chave on/off estiver fechada então VBB = 12V, então o transistor estará saturado ou seja chave fechada e o led estará desligado.

A chave eletrônica e o relé

Os relés são dispositivos de manobra, são mecânicos e seus contatos acionados por um campo eletromagnético.

Seu funcionamento é bastante simples, energizando os terminais de sua bobina, cria-se um campo eletromagnético, atraindo sua parte móvel fechando assim os contatos e permitindo a passagem da corrente elétrica.

NC = Normal close (fechado)

NC = Normal open (aberto) Comum

Os transistores são precedentes naturais dos relés, onde através de uma corrente de base baixa podemos acionar grandes cargas.

Existem reles para baixas, médias e altas tensões disponíveis no mercado.

Os relés mais simples possuem 5 terminais:

Dois deles são destinados a energizar a bobina e deve ser ligado a uma fonte de alimentação, no transistor NPN deve ser ligado ao coletor.

dependem da sua aplicação

O terminal comum será ligado a fonte de energia e os outros

O acionamento de uma carga

Pressionando tem-se corrente na base que se 10 vezes menor que a corrente de coletor satura o transistor para piores condições, assim funciona como chave fechada permitindo a circulação da corrente e energizando a bobina do relé, que cria um campo eletromagnético e o contato muda de posição, nesse caso NF para NA e a lâmpada acende.

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Cargas indutivas tendem a criar um pico de corrente reversa no momento do desligamento. Um diodo deve ser conectado contra paralelo à bobina do relé, assim caso a corrente retorne, haverá uma baixa resistência no diodo e alta no transistor, então a corrente volta para a bobina o ciclo permanece até que ela seja dissipada naturalmente.

A chave eletrônica e o sensor reed switch

A alta versatilidade das chaves eletrônicas, aliada a dispositivos sensores é sem dúvida o braço direito da automação industrial.

O reed switch é um sensor bastante simples muito utilizado em alarmes. Seu funcionamento é muito simples, com o imã próximo o contato NA, fecha, com o imã distante e contato abre. Veja ilustração:

O circuito

A chave eletrônica e o LDR

O LDR (Resistor Dependente de Luz) é um transdutor, isto é, converte a grandeza física (intensidade luminosa) em grandeza elétrica (resistência). Seu funcionamento é bastante simples:

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Uma aplicação simples

Funcionamento do circuito

Com luz o LDR tem baixa resistência e a maior parte da corrente elétrica é drenada pela terra e temse uma baixa corrente na base (insuficiente para saturar o transistor) e o transistor funciona como chave aberta.

Sem luz o LDR tem alta resistência e a maior parte da corrente elétrica será desviada para base (suficiente para satura-lo) e o transistor funciona como chave fechada.

Amigos são os que nas prosperidades aparecem se receberem convite, e nas adversidades aparecem sem serem chamados.

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Referências bibliográficas:

Malvino, A.P. Eletrônica - volume I. São Paulo: McGraw Hill , 1987. Boylestad, R. e Nashelsky, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Rio de Janeiro: Prentice-

Hall, 1994. Marcus, O. Circuitos com diodos e Transistores. São Paulo: Érica, 2000

Lalond, D.E. e Ross, J.A. Princípios de dispositivos e circuitos eletrônicos. São Paulo: Makron Books, 1999. Site: http://www.uoguelph.ca/~antoon/index.htm

Site: http://paginas.terra.com.br/educacao/almeida

Site: http://personales.com/brasil/saopaulo/EzeWebsite

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