Transistor como um comutador
Os comutadores de transistor podem ser usados para ligar ou desligar um dispositivo CC de baixa tensão (por exemplo, LEDs) usando um transistor no estado saturado ou de corte.
Quando usada como um amplificador de sinal CA, a tensão de polarização da base dos transistores é aplicada de tal maneira que ela sempre opere dentro de sua região "ativa", que é a parte linear das curvas das características de saída.
No entanto, os transistores bipolares do tipo NPN e PNP podem ser operados como chave de estado sólido do tipo “ON / OFF”, polarizando o terminal da base dos transistores de maneira diferente da de um amplificador de sinal.
Os interruptores de estado sólido são uma das principais aplicações para o uso do transistor para comutar uma saída CC para "ON" ou "OFF". Alguns dispositivos de saída, como os LEDs, requerem apenas alguns miliamperes em tensões CC no nível lógico e, portanto, podem ser acionados diretamente pela saída de uma porta lógica. No entanto, dispositivos de alta potência, como motores, solenóides ou lâmpadas, geralmente requerem mais energia do que a fornecida por um portão lógico comum, para que os comutadores de transistor sejam usados.
Se o circuito usa o transistor bipolar como um comutador , a polarização do transistor, NPN ou PNP, é organizada para operar o transistor nos dois lados das curvas de características “IV” que vimos anteriormente.
As áreas de operação de um comutador de transistor são conhecidas como região de saturação e região de corte . Isso significa, então, que podemos ignorar os circuitos de polarização de ponto Q e divisor de tensão necessários para a amplificação e usar o transistor como um interruptor, movendo-o para frente e para trás entre seu “totalmente desligado” (corte) e “totalmente Regiões ON (saturação), como mostrado abaixo.
Regiões de operação
A área sombreada rosa na parte inferior das curvas representa a região "Cut-off", enquanto a área azul à esquerda representa a região "Saturação" do transistor. Ambas as regiões do transistor são definidas como:
1. Região de corte
Aqui, as condições operacionais do transistor são corrente de entrada zero ( I B ), corrente de coletor de saída zero ( I C ) e tensão máxima de coletor ( V CE ), o que resulta em uma grande camada de depleção e nenhuma corrente flui através do dispositivo. Portanto, o transistor é desligado.
Características de corte
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Em seguida, pode-se definir a “região de corte” ou “modo DESLIGADO” quando utilizando um transístor bipolar como um interruptor como sendo, ambas as junções polarização reversa, V B <0,7 V e I C = 0 . Para um transistor PNP, o potencial do emissor deve ser negativo em relação à base.
2. Região de Saturação
Aqui, o transistor será polarizado de modo que a quantidade máxima de corrente base seja aplicada, resultando na corrente máxima do coletor, resultando na queda de tensão mínima do emissor do coletor, o que resulta na camada de depleção ser a menor possível e a corrente máxima fluindo através do transistor. Portanto, o transistor é ligado “Totalmente LIGADO”.
Características de saturação
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Em seguida, pode-se definir a “região de saturação” ou “modo LIGADO” quando utilizando um transístor bipolar como um interruptor como sendo, ambas as junções polarizado, V B > 0,7 V e I C = máximo . Para um transistor PNP, o potencial do emissor deve ser positivo em relação à base.
Em seguida, o transistor opera como um comutador de estado sólido “single-pole single-throw” (SPST). Com um sinal zero aplicado à base do transistor, ele desliga “OFF”, atuando como um interruptor aberto e a corrente do coletor zero flui. Com um sinal positivo aplicado à base do transistor, ele fica “ON” atuando como uma chave fechada e a corrente máxima do circuito flui através do dispositivo.
A maneira mais simples de alternar quantidades moderadas a altas de energia é usar o transistor com uma saída de coletor aberto e o terminal emissor de transistores conectado diretamente ao terra. Quando usados dessa maneira, a saída do coletor aberto dos transistores pode "dissipar" uma tensão fornecida externamente ao terra, controlando assim qualquer carga conectada.
Um exemplo de um transistor NPN como um comutador usado para operar um relé é dado abaixo. Com cargas indutivas, como relés ou solenóides, um diodo do volante é colocado sobre a carga para dissipar o EMF de volta gerado pela carga indutiva quando o transistor é desligado e, assim, protege o transistor contra danos. Se a carga for de natureza muito alta em corrente ou tensão, como motores, aquecedores, etc., a corrente de carga poderá ser controlada através de um relé adequado, como mostrado.
Circuito básico de comutação de transistor NPN
O circuito se assemelha ao do circuito do emissor comum que vimos nos tutoriais anteriores. A diferença neste momento é que, para operar o transistor como um comutador, o transistor precisa ser totalmente “OFF” (corte) ou totalmente “ON” (saturado). Um comutador de transistor ideal teria resistência infinita do circuito entre o coletor e o emissor quando desligado, resultando em corrente zero fluindo através dele e resistência zero entre o coletor e o emissor quando ligado, resultando em fluxo máximo de corrente.
Na prática, quando o transistor é “DESLIGADO”, pequenas correntes de vazamento fluem através do transistor e, quando totalmente “LIGADO”, o dispositivo possui um baixo valor de resistência, causando uma pequena tensão de saturação ( V CE ) através dele. Mesmo que o transistor não seja um comutador perfeito, nas regiões de corte e saturação, a energia dissipada pelo transistor é mínima.
Para que a corrente da Base flua, o terminal de entrada da Base deve ser mais positivo que o Emissor, aumentando-o acima dos 0,7 volts necessários para um dispositivo de silício. Ao variar essa tensão do emissor base V BE , a corrente da base também é alterada e, por sua vez, controla a quantidade de corrente do coletor que flui através do transistor, como discutido anteriormente.
Quando a corrente máxima do coletor flui, o transistor é considerado saturado . O valor do resistor da base determina quanta tensão de entrada é necessária e a corrente da base correspondente para ligar totalmente o transistor.
Transistor como um exemplo de comutador 1
Usando os valores do transistor dos tutoriais anteriores de: β = 200, Ic = 4mA e Ib = 20uA , encontre o valor do resistor de base ( Rb ) necessário para ativar totalmente a carga quando a tensão do terminal de entrada exceder 2,5v .
O próximo valor preferencial mais baixo é: 82kΩ , isso garante que a chave do transistor esteja sempre saturada.
Transistor como um exemplo de comutador 2
Novamente, usando os mesmos valores, encontre a corrente base mínima necessária para ligar o transistor (totalmente ON) (saturado) para uma carga que exija 200mA de corrente quando a tensão de entrada for aumentada para 5,0V. Calcule também o novo valor de Rb .
Corrente da base do transistor:
Resistência da base do transistor:
Os comutadores transistor são usados para uma ampla variedade de aplicações, como a interface de dispositivos de alta corrente ou alta tensão, como motores, relés ou lâmpadas, para CIs digitais de baixa tensão ou portas lógicas, como portas AND ou portas OR . Aqui, a saída de uma porta lógica digital é de apenas + 5v, mas o dispositivo a ser controlado pode exigir uma fonte de 12 ou 24 volts. Ou a carga, como um motor CC, pode precisar ter sua velocidade controlada usando uma série de pulsos (modulação por largura de pulso). interruptores transistorizados nos permitirão fazer isso de forma mais rápida e fácil do que com interruptores mecânicos convencionais.
Interruptor de transistor de lógica digital
O resistor de base Rb é necessário para limitar a corrente de saída da porta lógica.
Interruptor de transistor PNP
Também podemos usar os transistores PNP como um comutador, a diferença desta vez é que a carga está conectada ao terra (0v) e o transistor PNP muda a energia para ele. Para ativar o transistor PNP como um interruptor, o terminal Base é conectado ao terra ou a zero volts (LOW), como mostrado.
Circuito de comutação de transistor PNP
As equações para calcular a resistência da base, a corrente do coletor e as tensões são exatamente as mesmas da chave do transistor NPN anterior. A diferença desta vez é que estamos trocando energia com um transistor PNP (corrente de suprimento) em vez de comutar com um transistor NPN (corrente de dissipação).
Darlington Transistor Switch
Às vezes, o ganho de corrente CC do transistor bipolar é muito baixo para alternar diretamente a corrente ou a tensão da carga, portanto, são utilizados vários transistores de comutação. Aqui, um pequeno transistor de entrada é usado para ligar ou desligar um transistor de saída de manipulação de corrente muito maior. Para maximizar o ganho do sinal, os dois transistores são conectados em uma "Configuração Complementar de Ganho Complementar" ou o que é mais comumente chamado de " Configuração do Darlington ", onde o fator de amplificação é o produto dos dois transistores individuais.
Os transistores Darlington simplesmente contêm dois transistores bipolares individuais NPN ou PNP conectados, de modo que o ganho de corrente do primeiro transistor seja multiplicado pelo ganho de corrente do segundo transistor para produzir um dispositivo que age como um único transistor com uma corrente muito alta ganho para uma corrente base muito menor. O ganho geral de corrente Beta (β) ou o valor hfe de um dispositivo Darlington é o produto dos dois ganhos individuais dos transistores e é dado como:
Portanto, os transistores Darlington com valores β muito altos e correntes de coletor altas são possíveis em comparação com um único comutador de transistor. Por exemplo, se o primeiro transistor de entrada tiver um ganho de corrente de 100 e o segundo transistor de comutação tiver um ganho de corrente de 50, o ganho total de corrente será de 100 * 50 = 5000. Assim, por exemplo, se nossa corrente de carga acima for de 200mA , a corrente de base de Darlington é de apenas 200mA / 5000 = 40uA . Uma enorme redução do 1mA anterior para um único transistor.
Um exemplo dos dois tipos básicos de configurações de transistor de Darlington é dado abaixo.
Configurações do transistor de Darlington
A configuração acima do comutador de transistor NPN Darlington mostra os coletores dos dois transistores conectados juntamente com o emissor do primeiro transistor conectado ao terminal base do segundo transistor; portanto, a corrente do emissor do primeiro transistor se torna a corrente base do segundo comutador de transistor "ON".
O primeiro transistor ou de "entrada" recebe o sinal de entrada em sua base. Esse transistor o amplifica da maneira usual e o utiliza para acionar os segundos transistores de "saída" maiores. O segundo transistor amplifica o sinal novamente, resultando em um ganho de corrente muito alto. Uma das principais características dos transistores Darlington é o alto ganho de corrente comparado aos transistores bipolares únicos.
Além das altas capacidades de comutação de corrente e tensão, uma outra vantagem de um "Darlington Transistor Switch" está em suas altas velocidades de comutação, tornando-os ideais para uso em circuitos de inversores, circuitos de iluminação e aplicações de controle de motores DC ou motores de passo.
Uma diferença a considerar ao usar transistores Darlington sobre os tipos bipolares convencionais convencionais ao usar o transistor como um comutador é que a tensão de entrada do emissor base ( V BE ) precisa ser maior em aproximadamente 1,4 v para dispositivos de silício, devido à conexão em série das duas junções PN.
Resumo do transistor como comutador
Em seguida, para resumir ao usar um Transistor como um Switch, as seguintes condições se aplicam:
- Os comutadores de transistor podem ser usados para alternar e controlar lâmpadas, relés ou mesmo motores.
- Ao usar o transistor bipolar como chave, eles devem estar "totalmente desligados" ou "totalmente ligados".
- Diz-se que os transistores que estão totalmente “ON” estão em sua região de saturação .
- Diz-se que os transistores que estão totalmente “DESLIGADOS” estão em sua região de corte .
- Ao usar o transistor como comutador, uma pequena corrente Base controla uma corrente de carga do coletor muito maior.
- Ao usar transistores para alternar cargas indutivas, como relés e solenóides, é utilizado um "Diodo do volante do motor".
- Quando grandes correntes ou tensões precisam ser controladas, os transistores Darlington podem ser usados.
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