Como usar o transistor como uma chave

Como usar o transistor como uma chave

O principal dispositivo no domínio elétrico e eletrônico é a válvula regulada que permite que um sinal fraco regule a maior quantidade de fluxo semelhante ao bico que regula o fluxo de água de bombas, tubos e outros. Em um período, esta válvula regulada que foi implementada no domínio elétrico era tubos de vácuo. A implementação e utilização dos tubos de vácuo foram boas, mas a complicação com isso foi grande e o consumo de energia elétrica enorme que foi entregue como calor que truncou o período de vida do tubo. Em compensação a esse problema, o transistor foi o dispositivo que forneceu uma boa solução que se adequou às necessidades de toda a indústria elétrica e eletrônica. Este dispositivo foi inventado por “William Shockley” no ano de 1947. Para discutir mais, vamos mergulhar no tópico detalhado de saber o que é um transistor , implementando transistor como um interruptor , e muitas características.



O que é o transistor?

Um transistor é um dispositivo semicondutor de três terminais que pode ser usado para aplicações de comutação, amplificação de sinais fracos e em quantidades de milhares e milhões de transistores são interconectados e embutidos em um minúsculo circuito / chip integrado, que faz memórias de computador. Uma chave de transistor, que é usada para abrir ou fechar um circuito, isso significa que o transistor é comumente usado como uma chave em dispositivos eletrônicos apenas para aplicações de baixa tensão devido ao seu baixo potência consumo. O transistor funciona como uma chave quando está nas regiões de corte e saturação.


Tipos de transistores BJT

Basicamente, um transistor consiste em duas junções PN, essas junções são formadas imprensando tanto o tipo N quanto o tipo P semicondutor material entre um par do tipo oposto de materiais semicondutores.





Junção bipolar transistores são classificados em tipos

  • NPN
  • PNP

O transistor tem três terminais, a saber Base, Emissor e coletor. O emissor é um terminal fortemente dopado e emite os elétrons para a região da Base. O terminal Base é levemente dopado e passa os elétrons injetados pelo emissor para o coletor. O terminal coletor é dopado de forma intermediária e coleta elétrons da Base.



Um transistor do tipo NPN é a composição de dois materiais semicondutores dopados do tipo N entre uma camada semicondutora dopada do tipo P como mostrado acima. Da mesma forma, os transistores do tipo A PNP são a composição de dois materiais semicondutores dopados do tipo P entre uma camada semicondutora dopada do tipo N como mostrado acima. O funcionamento do transistor NPN e PNP é o mesmo, mas difere em termos de polaridade e polaridade da fonte de alimentação.


Transistor como um interruptor

Se o circuito usa o Transistor BJT como interruptor h, então a polarização do transistor, NPN ou PNP, é arranjada para operar o transistor em ambos os lados das curvas de características I-V mostradas abaixo. Um transistor pode ser operado em três modos, região ativa, região de saturação e região de corte. Na região ativa, o transistor funciona como um amplificador. Como uma chave de transistor, ele opera em duas regiões e essas são Região de Saturação (totalmente LIGADO) e o Região de Corte (totalmente OFF). O transistor como um diagrama de circuito de comutação é

Transistor como um interruptor

Transistor como um interruptor

Ambos os tipos de transistores NPN e PNP podem ser operados como chaves. Poucas aplicações utilizam um transistor de potência como ferramenta de comutação. Durante esta condição, pode não haver necessidade de usar outro transistor de sinal para acionar este transistor.

Modos Operacionais de Transistores

Podemos observar pelas características acima, a área sombreada em rosa na parte inferior das curvas representa a região de corte e a área azul à esquerda representa a região de saturação do transistor. essas regiões do transistor são definidas como

Região de Corte

As condições de operação do transistor são corrente de base de entrada zero (IB = 0), corrente de coletor de saída zero (Ic = 0) e tensão máxima de coletor (VCE) que resulta em uma grande camada de depleção e nenhuma corrente fluindo através do dispositivo.

Portanto, o transistor é colocado em “Fully-OFF”. Portanto, podemos definir a região de corte ao usar um transistor bipolar como uma chave, incomodando as junções dos transistores NPN com polarização reversa, VB<0.7v and Ic=0. Similarly, for PNP transistors, the emitter potential must be –ve with respect to the base of the transistor.

Modo de corte

Modo de corte

Então, podemos definir a 'região de corte' ou 'modo OFF' ao usar um transistor bipolar como uma chave como sendo, ambas as junções com polarização reversa, IC = 0 e VB<0.7v. For a PNP transistor, the Emitter potential must be -ve with respect to the base terminal.

Características da região de corte

As características da região de corte são:

  • Tanto a base quanto os terminais de entrada são aterrados, o que significa '0'v
  • O nível de tensão na junção base-emissor é inferior a 0,7v
  • A junção base-emissor está em condição de polarização reversa
  • Aqui, o transistor funciona como uma chave OPEN
  • Quando o transistor está completamente desligado, ele se move para a região de corte
  • A junção base-coletor está em condição de polarização reversa
  • Não haverá fluxo de corrente no terminal coletor, o que significa Ic = 0
  • O valor da tensão na junção emissor-coletor e nos terminais de saída é '1'

Região de Saturação

Nesta região, o transistor será polarizado de forma que a quantidade máxima de corrente de base (IB) seja aplicada, resultando em corrente máxima de coletor (IC = VCC / RL) e resultando na tensão mínima de coletor-emissor (VCE ~ 0) solta. Nessa condição, a camada de depleção se torna tão pequena quanto possível e a corrente máxima que flui através do transistor. Portanto, o transistor é comutado “Totalmente LIGADO”.

Modo de Saturação

Modo de Saturação

A definição de “região de saturação” ou “modo LIGADO” ao usar um transistor NPN bipolar como uma chave como sendo, ambas as junções são polarizadas para frente, IC = Máximo e VB> 0,7v. Para um transistor PNP, o potencial do Emissor deve ser + ve em relação à Base. Isto é o trabalhando do transistor como um interruptor .

Características da região de saturação

O características de saturação estamos:

  • Tanto a base quanto os terminais de entrada estão conectados a Vcc = 5v
  • O nível de tensão na junção base-emissor é superior a 0,7v
  • A junção base-emissor está em condição polarizada direta
  • Aqui, o transistor funciona como uma chave FECHADA
  • Quando o transistor está completamente desligado, ele se move para a região de saturação
  • A junção base-coletor está em condição polarizada para frente
  • O fluxo atual no terminal coletor é Ic = (Vcc / RL)
  • O valor da tensão na junção emissor-coletor e nos terminais de saída é '0'
  • Quando a tensão na junção coletor-emissor é '0', isso significa condição de saturação ideal

Além disso, o trabalhando do transistor como um interruptor pode ser explicado em detalhes como abaixo:

Transistor como uma chave - NPN

Dependendo do valor da tensão aplicada na borda da base do transistor, a funcionalidade de comutação ocorre. Quando existe uma boa quantidade de voltagem de ~ 0,7 V entre o emissor e as bordas da base, o fluxo de voltagem do coletor para a borda do emissor é zero. Assim, o transistor nesta condição atua como uma chave e a corrente que flui pelo coletor é considerada a corrente do transistor.

Da mesma forma, quando não há tensão aplicada no terminal de entrada, o transistor funciona na região de corte e funciona como um circuito aberto. Neste método de comutação, a carga conectada em contato com o ponto de comutação onde este atua como um ponto de referência. Assim, quando o transistor se move para a condição 'LIGADO', haverá um fluxo de corrente do terminal da fonte para o solo via carga.

Transistor NPN como interruptor

Transistor NPN como interruptor

Para esclarecer esse método de comutação, consideremos um exemplo.

Suponha que um transistor tenha um valor de resistência de base de 50kOhm, a resistência na borda do coletor é 0,7kOhm e a tensão aplicada é de 5V e considera o valor beta de 150. Na borda base, um sinal que varia entre 0 e 5V é aplicado . Isso corresponde que a saída do coletor é observada modificando os valores de tensão de entrada que são 0 e 5V. Considere o seguinte diagrama.

Quando VESTA= 0, então euC= VDC/ RC

IC = 5 / 0,7

Portanto, a corrente no terminal coletor é de 7,1mA

Como o valor beta é 150, então Ib = Ic / β

Ib = 7,1 / 150 = 47,3 µA

Então, a corrente de base é 47,3 µA

Com os valores acima, o valor mais alto de corrente no terminal do coletor é de 7,1 mA na condição coletor para a tensão do emissor é zero e o valor da corrente de base é 47,3 µA. Assim, ficou provado que quando o valor da corrente na borda da base é aumentado acima de 47,3 µA, o transistor NPN se move para a região de saturação.

Suponha que um transistor tenha uma tensão de entrada de 0 V. Isso significa que a corrente de base é '0' e quando a junção do emissor está aterrada, o emissor e a junção da base não estarão em condição de polarização de encaminhamento. Portanto, o transistor está no modo OFF e o valor da tensão na borda do coletor é 5V.

Vc= Vcc – (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Suponha que um transistor tenha uma tensão de entrada de 5V. Aqui, o valor atual na borda da base pode ser conhecido usando Princípio de tensão de Kirchhoff .

Ib = (Vi - Vbe) / Rb

Quando um transistor de silício é considerado, ele tem Vbe = 0,7 V

Portanto, Ib = (5-0,7) / 50

Ib = 56,8µA

Assim, ficou provado que quando o valor da corrente na borda da base é aumentado acima de 56,8 µA, o transistor NPN se move para uma região de saturação na condição de entrada de 5V.

Transistor como um switch - PNP

A funcionalidade de chaveamento para os transistores PNP e NPN são semelhantes, mas a variação é que no transistor PNP, o fluxo de corrente é do terminal da base. Esta configuração de comutação é empregada para as conexões de aterramento negativo. Aqui, a borda da base tem uma conexão de polarização negativa em correspondência com a borda do emissor. Quando a tensão no terminal de base for mais -ve, haverá um fluxo de corrente de base. Para ficar claro, que quando existem válvulas de tensão mínima ou de -ve, isso torna o transistor em curto-circuito, se não em circuito aberto, ou então alta impedância .

Neste tipo de conexão, a carga está em conexão com a saída de chaveamento junto com um ponto de referência. Quando o transistor PNP está na condição LIGADO, haverá fluxo de corrente da fonte para a carga e depois para o aterramento por meio de um transistor.

Transistor PNP como interruptor

Transistor PNP como interruptor

Da mesma forma para a operação de chaveamento do transistor NPN, a entrada do transistor PNP também está na borda da base, enquanto o terminal emissor está em conexão com uma tensão fixa e o terminal coletor é conectado ao solo por meio de uma carga. A imagem abaixo explica o circuito.

Aqui o terminal de base está sempre em uma condição de polarização negativa em correspondência com a borda do emissor e a base conectada no lado negativo e o emissor no lado positivo da tensão de entrada. Isso significa que a voltagem da base para o emissor é negativa e a voltagem do emissor para o coletor é positiva. Portanto, haverá condutividade do transistor quando a tensão do emissor tiver um nível mais positivo do que os terminais da base e do coletor. Portanto, a tensão na base deve ser mais negativa do que nos outros terminais.

Para saber o valor do coletor e das correntes de base, precisamos das expressões abaixo.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. 1

Onde Ub = Ic / β

Para esclarecer esse método de comutação, consideremos um exemplo.

Suponha que o circuito de carga precise de 120 mA e o valor beta do transistor seja 120. Então, o valor de corrente que é necessário para o transistor estar no modo de saturação é

Ib = Ic / β

= 120 mAmps / 100

Ib = 1 mAmp

Portanto, quando há uma corrente de base de 1 mAmp, o transistor está completamente ligado. Considerando que em cenários práticos, aproximadamente 30-40 por cento de mais corrente é necessário para a saturação adequada do transistor. Isso significa que a corrente de base necessária para o dispositivo é de 1,3 mAmps.

Operação de comutação do transistor Darlington

Em alguns casos, o ganho de corrente da corrente contínua no dispositivo BJT é mínimo para a comutação direta da tensão de carga ou corrente. Por causa disso, são utilizados transistores chaveadores. Nesta condição, um pequeno dispositivo de transistor é incluído para ligar e desligar de uma chave e um valor aumentado de corrente para regular o transistor de saída.

Para aumentar o ganho do sinal, dois transistores são conectados na forma de “configuração de composição de ganho complementar”. Nessa configuração, o fator de amplificação é o resultado do produto de dois transistores.

Darlington Transistor

Darlington Transistor

Transistores darlington são geralmente incluídos com dois tipos de transistores bipolares PNP e NPN, onde eles são conectados de forma que o valor de ganho do transistor inicial seja multiplicado pelo valor de ganho do segundo dispositivo de transistor.

Isso produz o resultado em que o dispositivo funciona como um único transistor com ganho de corrente máximo, mesmo para um valor de corrente de base mínimo. Todo o ganho de corrente do dispositivo de comutação Darlington é o produto dos valores de ganho de corrente dos transistores PNP e NPN e isso é representado como:

β = β1 × β2

Com os pontos acima, os transistores Darlington com valores máximos de β e corrente de coletor estão potencialmente relacionados ao chaveamento de um único transistor.

Por exemplo, quando o transistor de entrada tem um valor de ganho de corrente de 100 e o segundo tem um valor de ganho de 50, então o ganho de corrente total é

β = 100 × 50 = 5000

Portanto, quando a corrente de carga é 200 mA, o valor da corrente no transistor Darlington no terminal de base é 200 mA / 5000 = 40 µAmps, que é um grande decréscimo quando comparado com o último 1 mAmp para um único dispositivo.

Configurações de Darlington

Existem basicamente dois tipos de configuração no transistor Darlington e esses são

A configuração da chave do transistor Darlington demonstra que os terminais do coletor dos dois dispositivos são conectados ao terminal emissor do transistor inicial, que tem uma conexão com a borda da base do segundo dispositivo do transistor. Portanto, o valor da corrente no terminal emissor do primeiro transistor formará como a corrente de entrada do segundo transistor, portanto, o torna na condição Ligado.

O transistor de entrada que é o primeiro recebe seu sinal de entrada no terminal da base. O transistor de entrada é amplificado de uma maneira geral e é usado para acionar os próximos transistores de saída. O segundo dispositivo aumenta o sinal e isso resulta em um valor máximo de ganho de corrente. Uma das características cruciais do transistor Darlington é seu ganho máximo de corrente quando relacionado ao único dispositivo BJT.

Além da capacidade de tensão máxima e características de chaveamento de corrente, o outro benefício adicional é suas velocidades máximas de chaveamento. Esta operação de comutação permite que o dispositivo seja usado especificamente para circuitos de inversor, motor CC, circuitos de iluminação e fins de regulação de motor de passo.

A variação a levar em consideração durante a utilização de transistores Darlington do que a dos tipos BJT únicos convencionais ao implementar o transistor como uma chave é que a tensão de entrada na junção de base e emissor precisa ser mais próxima de 1,4 V para o tipo de dispositivo de silício, como devido a uma conexão em série das duas junções PN.

Algumas das aplicações práticas comuns do transistor como uma chave

Em um transistor, a menos que uma corrente flua no circuito de base, não há corrente que possa fluir no circuito coletor. Esta propriedade permitirá que um transistor seja usado como uma chave. O transistor pode ser ligado ou desligado mudando a base. Existem algumas aplicações de circuitos de comutação operados por transistores. Aqui, considerei o transistor NPN para explicar algumas aplicações que usam a chave de transistor.

Interruptor operado por luz

O circuito é projetado usando um transistor como um interruptor, para acender a lâmpada em um ambiente claro e desligá-la no escuro e um Resistor dependente de luz (LDR) no divisor de potencial. Quando o ambiente escurece Resistência do LDR fica alto. Então o transistor é desligado. Quando o LDR é exposto à luz brilhante, sua resistência cai para um valor menor, resultando em mais tensão de alimentação e aumentando a corrente de base do transistor. Agora o transistor está ligado, a corrente do coletor flui e a lâmpada acende.

Chave operada por calor

Um componente importante no circuito de uma chave operada por calor é o termistor. O termistor é um tipo de resistor que responde dependendo da temperatura ambiente. Sua resistência aumenta quando a temperatura está baixa e vice-versa. Quando o calor é aplicado ao termistor, sua resistência cai e a corrente de base aumenta, seguido por um aumento maior na corrente do coletor e a sirene dispara. Este circuito particular é adequado como um sistema de alarme de incêndio .

Chave operada por calor

Chave operada por calor

Controle do motor DC (driver) no caso de altas tensões

Considere que nenhuma tensão é aplicada ao transistor, então o transistor se torna OFF e nenhuma corrente fluirá através dele. Conseqüentemente o relé permanece no estado OFF. Energia para o motor DC é alimentado a partir do terminal Normalmente Fechado (NC) do relé, então o motor irá girar quando o relé estiver no estado OFF. A aplicação de alta tensão na base do transistor BC548 faz com que o transistor seja ligado e a bobina do relé seja energizada.

Exemplo Prático

Aqui, vamos saber o valor da corrente de base necessária para fazer um transistor completamente na condição ON, onde a carga precisa de uma corrente de 200mA quando o valor de entrada é aumentado para 5v. Além disso, saiba o valor de Rb.

O valor da corrente base do transistor é

Ib = Ic / β considere β = 200

Ib = 200mA / 200 = 1mA

O valor da resistência básica do transistor é Rb = (Vin - Vbe) / Ib

Rb = (5 - 0,7) / 1 × 10-3

Rb = 4,3kΩ

Os interruptores de transistor são amplamente utilizados em várias aplicações, como a interface de grande corrente ou alto valor de equipamentos de tensão, como motores, relés ou luzes para o valor mínimo de tensão, CIs digitais ou usados ​​em portas lógicas, como portas AND ou OR. Além disso, quando a saída fornecida pela porta lógica é de + 5v, enquanto o dispositivo que precisa ser regulado pode precisar diminuir 12v ou mesmo 24v da tensão de alimentação.

Ou a carga como o motor CC pode exigir que sua velocidade seja monitorada por meio de alguns pulsos contínuos. As chaves transistorizadas permitem que essa operação seja mais rápida e simples do que as chaves mecânicas tradicionais.

Por que usar transistor em vez de switch?

Ao implementar um transistor no lugar de uma chave, mesmo uma quantidade mínima de corrente de base regula uma corrente de carga mais alta no terminal do coletor. Usando transistores no lugar da chave, esses dispositivos são suportados com relés e solenóides. Considerando que, no caso em que níveis mais elevados de correntes ou tensões devem ser regulados, os transistores Darlington são utilizados.

No geral, como um resumo, poucas das condições que são aplicadas durante a operação do transistor como uma chave são

  • Ao usar o BJT como uma chave, ele deve ser operado em condições LIGADAS incompletas ou LIGADAS completas.
  • Ao usar um transistor como uma chave, um valor mínimo de corrente de base regula o aumento da corrente de carga do coletor.
  • Ao implementar transistores para alternar como relés e solenóides, é melhor usar diodos de volante.
  • Para regular valores maiores de tensão ou correntes, os transistores Darlington funcionam da melhor forma.

E, este artigo forneceu informações abrangentes e claras do transistor, regiões de operação, funcionamento como uma chave, características, aplicações práticas. O outro tópico crucial e relacionado a ser conhecido é o que é interruptor transistor lógico digital e seu funcionamento, diagrama de circuito?