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Projeto de uma etapa de comutação (M247)

Descrevemos, neste artigo, os procedimentos para o cálculo de uma etapa de comutação com um transistor excitando uma carga de corrente contínua. O fato do transistor operar saturado neste tipo de circuito exige um procedimento de cálculo especial, diferente do que acontece quando trabalhamos com o transistor na sua região linear. A configuração analisada é justamente uma das mais empregadas nos nossos projetos práticos.

Quando usamos um transistor para excitar uma carga de corrente contínua, como, por exemplo, uma lâmpada indicadora, um relé, um LED ou mesmo um solenóide, os cálculos basicamente se resumem na determinação do resistor de base em função do ganho do transistor usado.

No entanto, como calcular de modo preciso este resistor é algo com que normalmente os montadores encontram alguma dificuldade.

Operando saturado, o transistor tem um comportamento diferente de sua operação na região linear quando amplifica sinais. Isso leva aos procedimentos que descrevemos a seguir.

 

OPERAÇÃO COMO COMUTADOR

Quando um transistor opera como amplificador o que se tem é que as variações de corrente de base provocam variações maiores da corrente de coletor (na configuração de emissor comum, por exemplo), o que significa que ele deve ter "espaço"para responder a estas variações.

Isso quer dizer que, conforme mostra a figura a figura 1, ele deve ser polarizado de modo que fique "a meia condução",e com isso a tensão de coletor se mantenha num valor que permita sua variação para mais ou para menos, acompanhando o sinal. Isso corresponde a uma polarização mais ou menos no meio da reta de carga.

 

 

Por outro lado, quando o transistor opera saturado, ele conduz ou não conduz, o que significa que num instante ele conduz, e no outro não, o que leva a sua operação nas extremidades da reta de carga.

As tensões que aparecem nos eletrodos nas duas condições são diferentes, como ilustra a figura 2.

 

 

No modo linear, a tensão de coletor é normalmente algo elevada, dependendo apenas da região da reta de carga para a qual é polarizado. Por outro lado, quando opera saturado, a tensão entre o coletor e emissor cai praticamente a zero quando ele conduz.

Isso significa que, enquanto na condição de bloqueio praticamente não circula corrente alguma pelo transistor, quando ele é saturado e a carga recebe a alimentação total, temos as correntes máximas. No projeto de uma etapa deste tipo precisamos levar em conta alguns fatores importantes como:

a) A corrente que a carga exige, se ela está dentro do que o transistor pode fornecer.

b) Se o ganho do transistor é suficiente para fornecer a corrente de carga a partir da corrente disponível na entrada.

c) Se a potência dissipada pelo transistor ao conduzir a corrente máxima está de acordo com sua capacidade de dissipação.

 

AS FÓRMULAS

Para calcular os diversos elementos do circuito precisamos usar dois conjuntos de fórmulas que correspondem justamente às condições de bloqueio e saturação do circuito. Tomamos o circuito da figura 3 como referência para as diversas grandezas envolvidas:

 

 

a) Bloqueio

Ve=0

Ic=0

Vs=Vc( RL ) / Rc + RL

 

Onde: Ve é a tensão do emissor do transistor em volts (V)

Ic é a corrente de coletor em ampères (A)

Vs é a tensão de saída em (V)

Rc e RL são as resistências de carga em ohms (#)

 

b) Saturação:

Ib > Ic / hfe

Ib = (Ve - Vbe) / Rb

Ic = (Vc - Vce(sat))/Rc

 

Onde:

Ib é a corrente de base em ampères (A)

hfe é o ganho estático de corrente do transistor

Ic é a corrente de coletor em ampères (A)

Ve é a tensão de emissor em volts (V)

Vbe é a tensão entre base e emissor em volts (V)

Vc é a tensão de coletor em volts (V)

Vce(sat) é a tensão de saturação entre coletor e emissor

Rc é a resistência de carga em ohms (#)

 

Na prática utiliza Vs=Vce(sat)=0,25 V

Por outro lado, a corrente de base é sempre escolhida sendo maior do que a calculada, de modo a se garantir a saturação do transistor. Fatores de 2 a 4 vezes podem ser adotados nos projetos práticos.

Levando em conta estes fatores, podemos tomar um exemplo prático de cálculo.

 

EXEMPLO DE PROJETO

Desejamos calcular os componentes para um circuito de excitação de uma carga de 50 mA (um relé, por exemplo) com 12 V a partir do sinal obtido de uma saída TTL (5 V). O circuito é mostrado na figura 4. O transistor adotado é o BC548, que tem as seguintes características:


)

 

 

Ptot: 500 mW

Ic(max) = 100 mA

hfe = 200 (min)

Vbe = 0,7 V

 

Partimos da curva característica deste transistor em que traçamos a reta de carga (supondo Vce = 0) e que é mostrado na figura 5.

 

)

 

Veja que esta reta está totalmente abaixo da região "proibida"em que a dissipação do transistor se eleva passando dos limites admitidos pelo componente, que então pode queimar-se.

Temos então os seguintes dados para cálculo

 

Dados:

a) Corte: Ic = 0

Vce = 12 V

b) Saturação: Ic = 50 mA

Vce = 0 V

 

1. Calculamos em primeiro lugar a corrente de base para que o transistor sature:

Ib > 3x Ic/ hfe

Ib = 3x 0.05/ 200

ib = 0,00075

Ib = 0,75 mA ou 75 MA

 

2. Calculamos agora o valor de Rb para que tenhamos a saturação com 5 V aplicados ao circuito.

Rb = (Vent - Vbe)/ Ib

Rb = (5 - 0,7)/ 0,75

Rb = 5,73 k?

 

Na prática, podemos adotar tanto 5,6 k? como 4,7 k?, que nos garante ainda uma corrente maior de saturação.

Na figura 6 temos o circuito concluído.

 

 

CONCLUSÃO

Esta é uma configuração bastante simples, já que se trata de circuito de corrente contínua que tem apenas dois estados. No entanto, a utilização dos componentes com valores corretos é de extrema importância para se garantir o bom funcionamento do circuito. O leitor que está fazendo um projeto envolvendo este tipo de estágio deve estar preparado, para não ter surpresas.

 

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