Transistores como Chave

Aqui passaremos à análise do funcionamento do transistor como chave, uma das aplicações mais utilizadas para este componente. É importante que o leitor tenha conhecimento prévio do funcionamento do transistor e de suas polarizações e, caso não tenha acesse este outro artigo aqui no blog em Transistores.

Estados do Transistor

Nos estados de comutação com transistores são considerados dois estados estáticos: o estado ligado (on) e o estado desligado (off).

O estado ligado (transistor saturado) é caracterizado por uma tensão Vce próxima de zero e uma corrente de coletor relativamente alta, de acordo com a carga a ser comutada.

Estado ligado

O estado desligado (transistor cortado) é caracterizado por uma tensão Vce próxima de Vcc e uma corrente de coletor próxima de zero.

Estado desligado

Destacamos a seguir algumas aplicações para o transistor operando como comutador (chave eletrônica):

acionamento de lâmpada;
acionamento de bobinas de relés, para a comutação de cargas em tensão alternada;
acionamento de transformadores fontes chaveadas;
acionamento do transformador de saída horizontal nos televisores e monitores de vídeo;
acionamento de cargas com tensões diferentes da tensão do circuito de controle.

Em todos os casos o transistor é empregado quando a corrente da carga é superior àquela fornecida pelo circuito de controle.

Representação de transistor como chave

Exemplo: a figura acima mostra o acionamento de uma lâmpada de 127V, 60W a partir de um circuito eletrônico alimentado em 12 Vcc.

Funcionamento do Transistor como Chave

No exemplo da figura apresentado acima, o circuito eletrônico fornece a corrente de polarização para Q1. A corrente de polarização deve ser suficientemente alta para colocar o transistor na região de saturação. Com o transistor em saturação a corrente de coletor atinge o seu valor máximo, acionando a bobina do relé. Os contatos do relé, por sua vez, acionam o circuito de 127 V, fazendo a lâmpada acender.

O diodo D1 protege o transistor contra tensões reversas geradas pela bobina do relé.

Como em todas as aplicações, devem ser levadas em consideração as características elétricas do transistor antes de aplicá-lo ao circuito, caso contrário ele será danificado.

Escolha do transistor

Algumas perguntas devem ser feitas para a escolha do transistor:

Que tipo de carga o transistor vai chavear?
No exemplo anterior o transistor irá chavear um relé com bobina de 12 Vcc e corrente de 40 mA. Portanto, o transistor deve suportar uma corrente de coletor (Ic) superior a 40 mA.

Qual é a tensão da carga?
A carga (bobina do relé) opera com uma tensão de 12 Vcc. Portanto, o transistor deve possuir uma tensão entre coletor e emissor (Vce) superior a 12 Vcc.

Pesquisando nos manuais técnicos dos fabricantes encontramos vários modelos de transistores que se enquadram na necessidade do circuito. O transistor BC547, NPN de uso geral, tem as seguintes características:

tensão Vce: 50 V;
corrente de coletor: 100 mA;
ganho de corrente: entre 110 e 800.

Cálculo do resistor Rb

O valor do resistor Rb dever ser calculado de modo que a corrente de base seja suficiente para colocar o transistor em saturação. Como o ganho do transistor varia entre 110 e 800, uma regra e adotada para garantir a saturação do transistor. Considera-se como corrente de base um valor 10 vezes superior à corrente mínima necessária para o transistor saturar.

No pior caso, o transistor apresenta um ganho de 110, portanto, a corrente de base será de:

I_b = I_c / β

Onde:
I_c: corrente da carga (40 mA);
β: ganho mínimo do transistor;
I_b: corrente de base.

I_b = 0,04 / 110
I_b = 0,000360 ou 360 uA

Aplicando-se a regra, a corrente de base será:

I_b = 10 . 0,000360
I_b = 0,0036 A ou 3,6 mA

Utilizando a fórmula para o cálculo de polarização por corrente de base constante, temos:

R_b = V_cc – V_be / I_b
R_b = 12 – 0,7 / 0,0036
R_b = 11,3 /0,0036
R_b = 3.188 ohms