aulaEI01 - eletronica24h
Menu principal:
aulaEI01
Educacional > Cursos > Eletronica Basica 2
Aula 01: Transistor com Chave e Relé
Prof. Me. Romulo Oliveira Albuquerque
1 Transistor como chave
O transistor usado como chave é que permite uma variedade de aplicações na automação, por exemplo ligar e desligar algo (motor, relé etc). O ligar de uma chave mecanica por um ser humano pode ser substituida por um transistor.
1.1 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 Figura 1 mostra os dois tipos de transistores com os seus símbolos . Fugura 1a, transistor NPN e Figura 1b, transistor PNP. Um transistor pode operar em uma das seguintes regiões de operação :
- Região ativa ou de amplificação;
- Região de Corte;
- Região de Saturação.
( a ) ( b )
Figura 1 - Tipos de transistores bipolares ( a ) Transistor NPN ( b ) Transistor PNP
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 IC = b.IB, isto é, a corrente de coletor é diretamente proporcional à corrente de base, se IB dobrar de valor IC também dobra. A constante de proporcionalidade b (beta) é um dos parâmetros do transistor muitas vezes encontrado nos manuais como hFE, 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 Exemplo BC548 bmin=120 bmiáx=800
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 VBE £ 0 para transistor de Sí ou VBE£ -0,4V para transistor de Ge (caso orientação em contrário neste livro usaremos sempre transistor de Sí ).A Figura 2 mostra um transistor polarizado no corte e o modelo equivalente simplificado (chave aberta).
( a ) ( b )
Figura 2 - Transistor no corte ( a ) Circuito ( b ) Circuito equivalente
1.3 Região de saturação
Quando saturado o transistor simula um chave fechada. A corrente de coletor é constante valendo a seguinte relação entre IC e IB em um transistor saturado: IC £ b.IB. Leia-se: Ic deve ser menor ou igual a beta vezes IB
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 Figura 3 mostra um transistor saturado e o circuito equivalente (chave fechada).
( a ) ( b )
Figura 3 - Transistor na saturação ( a ) Circuitp ( b ) Circuito equivalente
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 Figura 4.
( a ) ( b )
Figura 4 - ( a ) Curvas caracteristicas de coletor com reta de carga ( b ) circuito emissor comum
Inicialmente com VBB=0 e como IB=(VBB - VBE)/RB = VBB/RB (se VBB>>>VBE) o transistor estará cortado, isto é, IB=0 e IC = 0 o ponto de operação estará localizado abaixo da reta de carga, ponto B, e nestas condições VCE=VCC 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 VBB, aumenta IB (não esqueça IB = VBB/RB) e o transistor entra na região ativa, onde Ic=.IB. Se IB aumentar, IC aumenta na mesma proporção, porém existe um valor de IB para o qual um aumento adicional em IB não provocará aumento em IC, dizemos que o transistor saturou. No gráfico da Figura 4 essa corrente é IBsat. A saturação é portanto caracterizada por Ic<b.IB, onde ICsat =VCC/RC é a corrente de coletor na saturação (estamos admitindo que VCEsat=0).
Para o transistor saturar deve ser observada a condição
Como o valor de b pode variar muito de transistor para transistor, de um mínimo (bmin) até um máximo (bMáx), para garantir a saturação do transistor deve ser usado o .
Exemplo Resolvido 1: No circuito da Figura 5 calcular RBB e RC para que o transistor sature com IC=10 mA. Considerar transistor de Si com
b= 100 VBEsat=0,7 V e VCEsat=0.
b= 100 VBEsat=0,7 V e VCEsat=0.
Figura 5 - Circuito para exercicio 1
Solução:
ICsat=10 mA =VCC/RC logo RC =12V/10mA =1k2
Para saturar IB >ICsat / bmin =10mA /100 = 0,1 mA adotando IB=0,2 mA e como
RBB=(VBB - VBE)/IB = (5 – 0,7)/0,2mA = 21,5 k adotamos o valor comercial imediatamente abaixo (aumenta mais ainda a garantia se saturação ) no caso RBB = 18 k
Exemplo Resolvido 2: Dimensionar RBB para o transistor acionar o relê . Dados: Relê 12V/40 mA b =100 VBEsat= 0,7 V.
Figura 6 - Circuito para exercicio 2
Arquivo Multisim Live clique e acesse
Solução: ICsat=40 mA para saturar o transistor IB³ ICsat/bmin = 40mA/100 = 0,4 mA.
Por outro lado RBB £ (5 – 0,7)V/0,4mA = 4,3 V/0,4 mA = 10,75 k para uma garantia adicional adotamos RBB=10 k.
Obs: a finalidade do diodo em paralelo com a bobina do diodo é eliminar a fcem gerada na bobina quando o transistor corta, protegendo o transistor.
Obs: a finalidade do diodo em paralelo com a bobina do diodo é eliminar a fcem gerada na bobina quando o transistor corta, protegendo o transistor.
1.4 Experiência:Transistor como chave
1. 4.1 Abra o arquivo ExpEN2_01 Transistor como chave e identifique o circuito da figura 7. Para cada posição da chave S1 (A e B) meça todas as correntes e tensões indicadas na tabela 1.
Figura 7 - Circuito para a experiencia
Tabela 1 - Transistor na saturação e corte
Chave em A | Chave em B | ||||||
| IC | IB | VCE | Região de Operação | IC | IB | VCE | Região de Operação |
2 Relé
( c )
Figura 9 - Circuito para verificar a existencia da Histerese
É um dispositivo eletromecanico que permite controlar uma grande corrente (2 A por exemplo) a partir de uma corrente pequena (50 mA). A Figura 8 mostra, de forma simplificada, a estrutura de um relá para CC.
( a ) ( b )
Figura 8 - Relé eletromecanico ( a ) Desenergizado ( b ) Energizado ( c ) Simbologias
Na Figura 8a com a chave CH aberta não tem corrente na bobina consequentemente não existe força magnetica que possa atrair o contato movel. O terminal N.F (Normal Fechado) liga a lâmpada L1 e o terminal N.A (Normal Aberto) mantem a lampada L2 apagada.
Quando a chave CH é fechada a corrente I faz aparecer uma força magnetica que sendo maior que a força da mola fecha o contato N.A, desligando o contato N.F. A lampada L2 acende e L1 apaga. Se a chave CH for aberta a força magnetica desaparece o contato movel volta para a condição inicial pela foça da mola.
A Histerese
No circuito, com Rv inicialmente no maximo, a corrente na bobina não é suficiente para o Relé "atracar", isto é, fechar o contato NA. Diminuindo gradativamente Rv a corrente aumenta. Eventualmente será atingido um valor de corrente para o qual o relé liga (digamos que esse valor é 50 mA. Se voce começar a aumentar novamente Rv verá que o Relé não desliga quando a corrente cair baixo de 50 mA mas de um valor bem menor digamos 20 mA. Dizemeos que o Relá tem Histerese.
Como explicar esse comportamento? Antes do relé atracar na Figura 8a existe um "gap" no caminho das linhas de campo (circuito magnetico fazendo com que seja necessario um campo mais forte para vencer essa resistencia (relutancia), por isso o relá precisa de 50mA.Quando o relá atraca não existe mais o "gap", Figura 8b e isso diminui a resistencia do circuito, desta forma para manter o circuito magnetico fechado não há necessidade de 50 mA.
Figura 9 - Circuito para verificar a existencia da Histerese
3 Experiencia: O relé - medindo a Histerese
3.1. Abra o arquivo ExpEN2_01 Transistor como chave (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 10. Para cada posição da chave S1 (A e B) meça todas as correntes e tensões indicadas na tabela 1.
( a ) ( b )
Figura 10 - Relé ( a ) Condição normal ( b ) Energizado
Multisim 14
Multisim 14
Arquivo para experiencia com Multim Live
4 Experiencia: Alarme com transistor e Relé
4.1 Abra o arquivo ExpEN2_03 Alarme 1 (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 11. Para cada posição da chave S1 (aberta e fechada ) verifique o funcionamento do circuito1 explicando-o. Considere que S1 (key Space) é um reed switch que pode ser colocado em uma porta ou janela para proteção. Verifique se o circuito pode ser usado contra entrada de intrusos (Ladrão).
( a ) ( b )
Figura 11 - Alarme usando sensor Reed Switch, rele, e transistor como chave ( a ) Condição normal (lampada acesa) ( b ) Alarme acionado (Lampada apagada)
Multisim 14
Multisim 14
Arquivo para experiencia com Multim Live
4.2 Escreva as suas conclusões.