O mínimo que você precisa saber sobre chaveamento eletrônico para começar a projetar

Utilizar um transistor como chave é uma das formas mais diretas de aplicar este componente em variados tipos de projetos.

Um transistor não muda instantaneamente entre os estados ligado (on) e desligado (off). Os tempos de mudança entre on e off dependem diretamente do tipo de transistor e das condições do circuito.

Pode-se gerar circuitos de pulsos, que são os que possuem dois estados (alto e baixo), e aplicar em circuitos digitais.

Assim, uma carga poderá ser ligada e desligada automaticamente. Ou um pulso enviado a um próximo estágio de circuito. Apenas para citar exemplos de aplicação.

Os sinais de entrada nos circuitos de chaveamento a transistor podem ser acoplados diretamente ou através de um capacitor.

Transistores de efeito de campo (FET) utilizados como chave possuem algumas vantagens sobre os transistores bipolares (NPN e PNP).

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O funcionamento ideal e real do transistor como chave

Circuito base para servir de guia ao projeto de transistor como chave
Crédito da imagem: Cyril Mechkov. Circuito para referência geral. Load = carga.

Um circuito pode ser projetado especificamente para fazer um transistor atuar como uma chave. Nesse caso, o foco estará nos estados de corte e saturação, determinados na etapa de polarização do transistor.

Os terminais da chave são os terminais coletor e emissor do transistor. A tensão de controle para o chaveamento é a tensão entre base e emissor.

  • Dois estados da chave → ON e OFF;
  • Transistor ligado → ON;
  • Transistor desligado → OFF.

A situação ideal (não real)

  • Corte: a corrente no coletor do transistor é nula, isto é, a chave está aberta (off). A tensão entre coletor e emissor é igual à tensão da fonte.
  • Saturação: a chave está fechada (on), porque a corrente no coletor é máxima. A tensão entre coletor e emissor é nula.

O transistor também simula uma chave no sentido de dissipação de potência, porque esta é nula nos estados on e off.

A dissipação deixa de ser nula durante os intervalos em que o transistor está mudando de on para off, e vice-versa.


A situação real

Para entender como um transistor como chave funciona na prática é necessário considerar as características de emissor comum.

São três regiões, sendo que uma delas, a região ativa, não é de interesse aqui, por ser utilizada em circuitos para amplificação. Importa aqui as região de corte e saturação, como já comentado antes para o caso ideal.

Observe uma parte do datasheet abaixo, do transistor 2N3904. A corrente Icex marcada em azul é igual a 50 nA. É a corrente em condição de corte, medida pelo fabricante.

Datasheet para analisar um transistor como chave

Ela torna a tensão entre coletor e emissor (VCE) ligeiramente inferior à tensão Vcc (fonte de alimentação) quando o transistor está off (desligado).

Na condição de saturação, existe uma pequena tensão entre coletor e emissor, tipicamente de 0,2 V. Ela depende da corrente de coletor e da resistência do material semicondutor que forma o coletor do transistor.

Para a saturação ocorrer, o ganho de corrente do transistor deve ter um valor mínimo, a depender das condições do circuito.

Supondo que um transistor tem uma corrente de base igual a 50 μA e requer uma corrente de coletor de 1 mA para atuar na saturação, então o ganho mínimo de corrente do transistor será de [(1 mA / 50 μA) = 20].

Se o ganho for menor do que 20 neste caso, a corrente de coletor será menor do que 1 mA, o que não permitirá a ocorrência da saturação.

Tempos para um transistor como chave ligar e desligar

tempos que um transistor como chave leva para ligar e desligar
http://wps.prenhall.com/wps/media/objects/416/426356/19fig6.gif

O tempo que o transistor leva para ligar e desligar é uma característica importante em aplicações que exigem boa precisão.

  • A figura ao lado mostra os tempos de subida e descida.
  • Quando a corrente é aplicada à base do transistor, este não vai ligar, ficar on, imediatamente.
  • Ton (tempo p/ ligar) = Td + Tr
  • Toff (tempo p/ desligar) = Ts + Tf

Olhando mais uma vez o datasheet do transistor 2N3904, temos os seguintes tempos de chaveamento:

  • Ton = Td + Tr = 35 ns + 35 ns = 70 ns
  • Toff = Ts + Tf = 200 ns + 50 ns = 250 ns

tempos de cahveamento de um transistor como chave, para o transitor 2N3904Como melhorar os tempos de chaveamento

Idealmente, para um rápido chaveamento, temos as seguintes condições:

  • A tensão base-emissor (VBE) deve começar em zero volts;
  • A corrente de base do transistor deve ser maior quando a chave liga (Ton), mas deve rapidamente decrescer a um mínimo exigido para saturação.
  • O desligamento (Toff) deve ser alcançado por uma grande tensão de polarização reversa, que rapidamente retorna a zero.

As condições acima são atingidas quando um capacitor é conectado como no circuito abaixo:

melhorar o tempo de chaveamento de um circuito com transistor como chave, utilizando um capacitor
Conectar capacitor em paralelo com o resistor de base.

Conclusão:

Apesar de ser um tema simples e até de fácil execução e cálculo, é um dos assuntos mais importantes da eletrônica analógica.

Muitas aplicações são possíveis. Um transistor como chave é largamente utilizado em projetos de circuitos de pulso.