Um dos problemas enfrentados pelos leitores que executam projetos com circuitos integrados CMOS é a sua ligação em cargas externas como: lâmpadas, LEDs, motores, relés, solenóides e outros dispositivos de modo a haver a excitação normal. Como fazer isto é o assunto deste artigo que facilitará bastante o trabalho dos leitores que gostam de modificar, refazer ou criar projetos com integrados CMOS.
Com uma tensão de alimentação de 10 V, uma saída de qualquer função CMOS (salvo os buffers) só pode fornecer ou drenar uma corrente da ordem de 2,25 mA, o que não pode servir para excitar cargas de alguma potência, como relés ou lâmpadas.
O máximo que se consegue é acender um LED e mesmo assim não se pode obter o máximo brilho de um destes componentes, entretanto se quisermos excitar uma carga que exija uma corrente maior como, por exemplo, uma lâmpada, relé, solenóide, disparar um SCR ou Triac, precisamos de elementos externos, como os amplificadores e isso consiste num problema para o montador menos experiente.
O assunto que propomos neste artigo é justamente esse: como interfacear, ou seja, ligar uma saída CMOS a uma carga de maior potência para que possamos excitá-la convenientemente sem por em risco a integridade de nossos circuitos integrados.
Os circuitos dados a seguir, consistem no que comumente aparecem nos projetos práticos, inclusive os publicados no site.
Características de saída CMOS:
(Estas correntes são tanto para o nível alto como para o nível baixo, ou seja, a carga drena ou fornece corrente a saída do circuito integrado). (figura 1)
Os sinais (ip) indicam que se tratam de valores médios que podem variar sensivelmente de um circuito integrado para outro.
1. DRIVER SIMPLES NPN
Para excitar cargas simples como LEDs, lâmpadas, relés ou pequenos motores até 100 mA quando o nível de saída do circuito integrado CMOS for alto, recomendamos o circuito da fig. 2.
O transistor pode ser qualquer NPN de uso geral e em sua função, será escolhido o resistor de base. Se o transistor tiver ganho baixo este resistor deve possuir o valor mínimo para saturação, no caso 1 k ohms mas, para transistor de ganho elevado, como por exemplo, um BC549, podemos aumentar até 10 k ohms o valor deste resistor.
Se a carga for indutiva, como, um motor, solenóide ou relé, é conveniente proteger o transistor contra os transientes de comutação com a ligação de um diodo em paralelo.
O diodo pode ser o 1N4148, 1N4002 ou qualquer equivalente de silício.
2. DRIVER SIMPLES PNP
Para que a carga seja ativada quando a saída do CMOS vai ao nível baixo (0 V) podemos usar um driver com transistores PNP, conforme mostra a fig. 3.
Este circuito tem as mesmas características do anterior exceto pelo acionamento no nível baixo.
O ganho dos transistor determina o valor do resistor, e para cargas indutivas é conveniente usar um diodo de proteção.
Uma característica importante deste circuito, assim como do anterior é que a etapa de excitação e a carga, podem ser alimentada com tensões diferentes das usadas para alimentar os circuitos integrados CMOS.
Desta forma, conforme mostra a figura 4 podemos excitar uma lâmpada ou motor de 12 V, mesmo quando o circuito integrado CMOS só é alimentado com 5 ou 6 V.
Observe, entretanto, que o negativo das duas fontes são comuns, ou seja, deve haver um retorno comum para a corrente do circuito.
3. DRIVER NPN DE POTÊNCIA
Se a carga a ser excitada exigir correntes maiores que 100 mA, até 500 mA podemos utilizar um transistor NPN de média potência como o BD135, BD137 ou TlP31 (A, B ou C), conforme mostra a figura 5.
Evidentemente o transistor deve ser dotado de um radiador de calor e o valor dependerá do ganho do transistor.
O leitor pode reduzir este resistor até 820 ohms aproximadamente, para não sobrecarregar a saída CMOS se alimentada com até 12 V. Para 6 V ela pode admitir uma redução até 560 ohms.
O valor ideal é o que satura o transistor, obtendo-se assim a corrente de coletor que a carga precisa para funcionar.
Para aplicações normais até 500 mA, supondo que o ganho do transistor esteja dentro dos limites especificados para o BD135 e TlP31 o resistor de 1 k ohms é o normal.
4. DRIVER PNP DE POTÊNCIA
Para excitar a carga até 500 mA com um nível baixo na saída do circuito integrado CMOS temos o circuito da figura 6.
Da mesma forma que no caso anterior, o transistor deve ser montado num radiador de calor e o resistor de base pode ser alterado em função do ganho do transistor.
Veja que tanto neste circuito como no anterior, a alimentação da carga pode ser feita com tensão diferente da usada para alimentar os circuitos CMOS.
5. DRIVER COM DARLINGTON NPN
Correntes até 1 A podem ser obtidas para uma carga com o circuito da figura 7.
Temos duas possibilidades, conforme mostrado na mesma figura para a utilização de um Darlington: podemos usar um BC548 e um TlP31 formando o par com dois transistores discretos ou então partir para um TlP110, 111 ou 112 que são Darlingtons de 2 A em um invólucro TO-220, (figura 8).
Estes transistores admitem tensões de coletor bastante elevadas, superiores a 60 V conforme o tipo.
Também neste caso, o resistor de base vai ser dimensionado de modo a termos a saturação do transistor em função do ganho e da corrente exigida para a carga.
Valores na faixa de 2,2 k ohms a 22 k ohms são os mais indicados para a maioria das aplicações.
Este circuito é equivalente ao número 1 e 3, no que se refere ao acionamento com o nível alto do CMOS excitador.
6. DRIVER COM DARLINGTON PNP
Para acionamento de cargas até 1 A com o nível baixo do CMOS da excitação, temos duas possibilidades usando pares de transistores PNP ou Darlingtons, conforme mostra a fig. 9.
No primeiro caso usamos dois transistores comuns, um BC558 e um TIP32, enquanto que no segundo caso usamos um Darlington de média potência PNP do tipo TlP115, TlP116 ou TIP117.
Os transistores de potência nos dois casos devem ser montados em radiadores de calor.
Os resistores devem ser dimensionados de acordo com o ganho dos transistores e da corrente exigida pela carga.
Veja que neste caso a carga também pode ser alimentada com tensão diferente dos circuitos integrados CMOS desde que haja um terra (0 V) comum.
7. EXCITAÇÃO DE SCRs
SCRs (diodos controlados de silício) da série 106 (Mo106, MCR106, C106, etc.) podem ser excitados (disparados) quando a saída do CMOS estiver no nível alto, utilizando-se o circuito da figura 10.
O resistor R1 pode ser alterado na faixa de 1 k ohms a 10 k ohms em função do ganho do transistor, e a alimentação de coletor do transistor pode ser feita com tensão diferente da usada no CMOS.
O resistor R3 entre o anodo e o catodo do SCR vai ser necessário quando sua alimentação for feita na rede de 110 V ou 220 V CA e houver tendência a manutenção de estado de condução (ligado) mesmo quando a saída do circuito integrado estiver baixa (sem excitação).
Seu valor deve ficar entre 1 k e 10 k ohms conforme o SCR.
O SCR deverá ser dotado de radiador de calor e é muito importante observar que existe uma linha comum entre o terra dos circuitos integrados CMOS e o terra de alta tensão da rede.
Para SCRs que exijam maior corrente de disparo, como o TlC116 ou TlC126, o resistor R2 deve ser reduzido, admitindo-se como valor mínimo algo em torno de 150 ohms para 12 V de alimentação e 68 ohms para 6 V de alimentação.
O resistor R3 neste caso deve eventualmente ser reduzido para até 220 ohms.
8. EXCITAÇÃO DE SCRs NO NIVEL BAIXO
Para excitar um SCRs quando a saída do circuito integrado CMOS estiver no nível baixo, podemos usar o circuito da figura 11.
Este circuito é válido para SCRs da série 106. O SCR deve ser montado em radiador de calor e todas as considerações para o item 7 são válidas.
9. EXCITAÇÃO DE TRIACS
Para excitar Triacs temos duas possibilidades. A primeira é mostrada na figura 12 e é válida para tipos que precisam de até 50 mA de corrente de comporta (disparo).
Esta configuração faz com que o SCR dispare quando o nível de saída do circuito integrado CMOS for alto.
Veja que, para obter maiores condições de disparo podemos usar uma tensão maior (até 12 V) para alimentar o transistor, independente da tensão usada para alimentar os circuitos integrados CMOS.
Para excitar cargas um Triac com o nível baixo de saída do circuito integrado CMOS podemos usar o circuito da figura 13.
Valem as mesmas considerações do caso anterior. Veja que o resistor da base do transistor pode ser adequado a aplicação, bastando para isso que, em função do ganho do transistor seja obtida a saturação no disparo.
Valores entre 1 kohms e 10 kohms são os normais para aplicações com alimentações de 5 a 12 V.
CONCLUSÃO
Existem outros modos de se fazer a excitação de cargas, alguns proporcionando mais segurança ao circuito, como por exemplo no caso de SCRs e Triacs quando podemos fazer o uso de opto-isoladores ou opto-acopladores.
No entanto, com as soluções que demos neste artigo, o leitor já terá elementos suficientes para fazer a maioria dos seus projetos.
É importante observar que em todos os circuitos mantivemos sempre na saída do circuito integrado CMOS um resistor limitando de qualquer forma e corrente entre ao dispositivo que deve ser excitado.
Este procedimento é muito importante de ser observado principalmente se o leitor pretender fazer modificações de alguns dos nossos circuitos para outros tipos de aplicações.
