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).

Essa é uma das aplicações que os seus colegas ou você mais vão usar. Mas vocês sabem usar uma folha de dados do fabricante? Com certeza vários dos seus conhecidos não sabem, então ajude-os com uma simples indicação direta desse artigo, ou compartilhe pelos links:

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 da 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, dependendo 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 a 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.

Veja também alguns circuitos eletrônicos de aplicação que separei e postei em outros artigo, com explicações gerais de funcionamento.