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Eletronica Basica 2
Aula 01:  Transistor com 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.  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.  

    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   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


    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.




    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

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    Solução: ICsat=40 mA      para saturar o transistor         IB³ ICsat/   = 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.


    4. Experiência:Transistor como chave
    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
    ICIBVCE
    Região  de Operação
    ICIBVCE
    Região de Operação



    4.2. Abra o arquivo   ExpEN2_02  O Rele  e  identifique o circuito da  Figura 8. Com Rv (100%) no maximo ligue a chave (SPACE no teclado)   e inicie a simulação. Abra o amperimetro e meça a corrente com Rv no maximo. Observe o contato NA e  o LED.  Diminua a resistencia gradativamente observando o contato. Anote o valor da corrente que acende o LED  (Ion). Volte a aumentar Rv, e anote o valor da corrente que desliga o LED (Ioff).

    Ion=________      Ioff=_________




                                   
    Figura 8 - Relé ( a ) Condição normal   ( b )  Energizado


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    4.3. Abra o arquivo   ExpEN2_03  Alarme 1 e  identifique o circuito da  Figura 9. 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.




                                   ( a )                                                                                                    ( b )
    Figura 9 - Alarme usando sensor Reed  Switch, rele, e transistor como chave ( a )  Condição normal (lampada acesa)   ( b ) Alarme acionado (Lampada apagada)

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    4.4. Abra o arquivo   ExpEN2_04 Alarme 2 e  identifique o circuito da  Figura 10. Para cada posição da chave S1 (aberta e fechada )  verifique o funcionamento do circuito1 explicando-o. Considere que S1 é um reed switch que pode ser colocado em uma porta ou janela para proteção. Qual a principal diferença entre esse circuito e o do item 4.3? Para que é usado o segundo contato?



                                                                ( a )                                                                                                ( b )
    Figura 10 - Alarme com selo ( a ) Condição normal (lampada acesa)  ( b )Alarme acionado (Lampada apagada)

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    4.5. Escreva as suas conclusões.
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