às vezes entender como o mais simples dos circuitos eletrônicos funciona pode ser intimidante e/ou confuso para o estudante, hobbyist, ou novato. Se bem me lembro (no século XVII), metade das pessoas da minha turma de electrónica desistiu após o primeiro semestre. Introduza um curso de cálculo e verás uma debandada furiosa para a porta de saída. Quem nós culpamos por esta baixa taxa de abandono — estudantes, professores ou currículo?, Andrew Carnegie foi perguntado uma vez: “o que é mais importante: trabalho, capital, ou cérebro?”Sua resposta foi:” Qual é a perna mais importante em um banco de três pernas?”
infelizmente, a resposta à questão da culpa está fora do âmbito deste artigo. O que deve ser importante é apresentar o assunto da eletrônica de tal maneira que torna fácil para qualquer um aprender. Com isso em mente, vamos dar uma olhada em um desses circuitos simples e onipresentes: o interruptor transistor. Não se preocupe, não há nada mais desafiador aqui do que multiplicação, divisão, adição e subtração., Então, vamos começar!
um transístor como interruptor
Olhe para a Figura 1. Ele mostra um típico circuito transistor / LED de Propósito Geral (NPN). Se você ligar +5 volts para Vcc neste circuito e pulsar o terminal de entrada (Vin) com +5V, 0V, +5V, etc., o LED vai acender e apagar em conformidade. É claro que, para que este circuito funcione corretamente, você tem que calcular os valores de resistência corretos para RC e RB. Como é que fazes isso? Continua a ler.
FIGURA 1.,
Antes de começarmos, deve-se notar que estaremos usando o transistor como um interruptor simples e não como um amplificador. Lembre-se, transístores podem operar como um amplificador ou um interruptor. Se você está usando um transistor para amplificar um sinal, diz-se que o transistor está operando na região “ativa” ou “linear”.
sem ir muito fundo na teoria dos transistores, a região ativa envolve uma gama de pontos operacionais (“curvas características do transistor” do Google) em que o transistor amplifica um sinal sem distorção.,
Por outro lado, quando o transistor é usado como um interruptor, ele está operando no que é chamado de modo “digital” (ligado/desligado). Neste estado de funcionamento, o transistor não “amplifica” a tensão de entrada (VIN) de qualquer forma. Para usar um transistor como um interruptor, tudo que você tem que fazer é aumentar a corrente no terminal base para um certo nível, e o transistor irá para um estado comumente conhecido como “saturação”.,”Este é um estado (modo de operação) onde não importa quanta corrente adicional é bombeada para o terminal base do transistor, a corrente coletora não aumentará mais.
Uma vez que um transistor está em Modo de saturação, ele age como um interruptor mecânico SPST fechado (ver Figura 2). Por sua vez, quando o transistor é desligado (sem corrente de base), ele vai para o modo de “corte” (totalmente desligado). Simplificando, o transistor é ligado ou amplificação off — amplificação é imaterial.
FIGURA 2.,
ok, agora que você sabe a diferença entre um amplificador transistor e um interruptor, vamos usar o transistor como um interruptor para ligar e desligar um LED.
verifique a ficha de dados
o primeiro passo é pesquisar as fichas de dados tanto para o LED como para o transistor. Você vai notar na ficha de dados LED uma listagem para a corrente avançada máxima (IF). A maioria dos LEDs de 5 mm de diâmetro têm uma classificação de corrente máxima em torno de 20 mA.uma vez estabelecida a classificação máxima de LED, o que fazemos com essa informação?, Bem, significa que temos de reduzir a classificação máxima de 20 mA para um nível actual seguro para que o LED não seja destruído. Um bom ponto de partida está em algum lugar entre 5 e 15 mA — dependendo de quão brilhante de um LED você precisa. Vamos concordar aqui para definir a corrente máxima(IC (MAX)) fluindo através do nosso LED para 15 mA. Agora, vá em frente e use a Lei de Ohm para calcular o valor para o resistor coletor (Rc). A fórmula está listada abaixo; suponha que temos +5V como nossa fonte de alimentação (Vcc) e(IC (MAX)) = 15 mA.
RC = VCC = 5
IC (máx) .015
calculou um valor de 333.33 ohms para RC? Tens razão!, Pare imediatamente, temos um problema! A fórmula acima está faltando alguns parâmetros elétricos muito importantes. O que falta é o fato de que tanto o LED quanto o transistor — quando ligados — têm uma queda de voltagem em seus terminais e isso deve ser contabilizado na fórmula.
um transístor de Uso Geral irá cair cerca de .1 para .3 volts através dos terminais coletor/emissor (VCE(sat); Ver ficha de dados) quando em Modo de saturação (totalmente ligado)., Uma vez que um transistor satura, a corrente do coletor atinge um nível ou patamar em que qualquer aumento adicional da Corrente de base não provocará um aumento adicional da corrente do coletor. Em “teoria”, neste ponto a queda de tensão do coletor/emissor (VCE(sat)) deve ser zero se o transistor estava funcionando como um interruptor mecânico SPST.
lembre-se, um interruptor mecânico não tem queda de tensão quando ligado ao estado on porque não há resistência entre os contatos., Por outro lado, os transístores têm uma pequena quantidade de resistência através dos terminais coletor/emissor (RCE) quando ligados, e, portanto, uma queda de tensão.
In addition to the transistor voltage drop, the LED will also drop somewhere between 1.2 and 3 volts when it’s connected (check the datasheet under VF). Portanto, a fim de calcular o valor correto para RC resistor, a queda de tensão através do coletor/emissor (VCE(sat)) e a queda de tensão através do LED (V(LED)) devem ser incluídos na fórmula., Assim, aqui está a mesma fórmula da Lei Ohm modificada para contabilizar todas as quedas de tensão:
Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)
Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)
Rc = 5 – 1.9 – .1
.015
Rc = 200 ohms
O cálculo mostra que precisamos de um resistor de 200 ohm para Rc, a fim de limitar a corrente através do LED para um seguro 15 mA. Notice, had we used the basic Ohm’s Law formula (Rc = Vcc / IC(MAX)), RC would be 333.33 ohms. O verdadeiro problema com o uso de um 333.,33 ohm resistor para RC começa quando você realmente pão o circuito, apenas para descobrir a corrente que você esperava através do LED não é o necessário 15 mA, mas 9,2 mA (uma perda de 39%). Portanto, se você não adicionar tanto a voltagem de LED e transistor cair no cálculo, seu LED não será tão brilhante como esperado.
tente olhar para o LED e transistor como pequenas resistências. Em um circuito de série, você adicionaria todos os valores de resistência juntos para obter a resistência total, certo? Bem, tudo o que estamos a fazer aqui é contabilizar todas as quedas de voltagem num circuito de série.,
A Figura 3 mostra claramente o que acontece com a corrente de coletor (IC(máx)) quando não inclui todas as quedas de tensão na fórmula.
FIGURA 3.
BASE para controlar
a questão agora é como você controla o transistor para que ele ligue e desligue? Temos de fazer duas coisas: uma. Encontre a corrente de base do transistor correta (IB) que irá saturar o transistor. 2. Calcular o valor de resistência para o resistor de base RB (ver Figura 1)., A fórmula para encontrar a corrente base é:
IB (EOS) = IC(MAX)
Beta (min)
Notice here, in order to find the base current (IB), we divide the maximum collector current (IC(MAX)) we want to go through the LED (15 mA) by the minimum Beta listed on the datasheet (hFE). O que é Beta? Beta-também conhecido como DC current gain — é uma razão relacionada com quanto ganho de corrente você pode esperar através de um terminal coletor de transistor dado uma certa quantidade de corrente indo para o terminal base. Em outras palavras, a corrente de base controla a corrente de coletor., É como uma pequena válvula de água que controla o fluxo de água através de um tubo grande.
tendo dito tudo isso — e isso é muito importante — Beta (ganho) é apenas usado no design do amplificador. Quando você está usando um transistor como um switch (modo digital), Beta tem pouco efeito ou significado porque o transistor não está operando na região ativa em que os amplificadores funcionam. Uma vez que um interruptor transistor está no modo de saturação, não há ganho de corrente do coletor além da saturação.,
em outras palavras, uma vez que um interruptor transistor atinge o ponto de saturação, a fórmula de ganho IC = Beta x IB já não se aplica porque a queda de tensão através dos terminais coletor/emissor (VCE(sat)) atingiu a sua menor tensão de saturação de .1V. quando VCE (sat) atinge este nível de tensão, a corrente de coletor não pode aumentar além deste ponto — mesmo se a corrente de base continua a aumentar.
lembre-se que um transistor que funciona em modo digital (ligado/desligado) está em Modo de saturação (totalmente ligado) ou em Modo de corte (totalmente desligado)., Portanto, qualquer nível de corrente de coletor (Ic) entre os dois estados de saturação e corte não é importante para o funcionamento de um interruptor transistor-é apenas importante para projetistas Amplificadores.
ok, então que valor usamos para Beta na fórmula para encontrar a corrente base (IB)? Bem, a regra padrão diz que você deve usar o Beta mínimo (hFE) listado na ficha técnica. Infelizmente, o Beta mínimo listado na ficha só colocará o transistor na borda de saturação (EOS)., Uma vez que os transistores são sensíveis a mudanças de temperatura, uma mudança de temperatura pode forçar o transistor a se mover do EOS para a área “ativa” (região amplificadora).
portanto, a fim de eliminar esta possibilidade, usamos o que é conhecido como um “fator Overdrive” (ODF). Este é um número arbitrário entre 2 e 10 que é usado para assegurar que o transistor é conduzido rígido em saturação (totalmente ligado) — e onde as mudanças de temperatura falhar para soltar o transistor de saturação. Portanto, IB é igual a:
IB = IB(EOS) X ODF
↓
ib = IC (MAX) x ODF
Beta (min)
IB = .,015 x ODF
100
IB = .15 mA x 10
IB = 1,5 mA
Observe que, na fórmula acima, usando uma ODF, de 10 de aumentar a base atual de 150 µA para 1,5 mA, garantindo assim que o transistor é forçado em uma profunda saturação. Por exemplo, se uma ficha listasse uma Beta(min) de 75, e você precisasse de uma corrente de coletor (IC(MAX)) de 25 mA, IB seria .333 mA (.0003333A). Infelizmente, 333 µA só colocaria o transistor no EOS. Usando um ODF de 10, aumentamos a corrente base (IB) para 3,3 mA — bem além do EOS e para uma saturação profunda.,
Agora que estabelecemos uma corrente de base (IB) de 1,5 mA é necessária para saturar o nosso transistor, vamos calcular o valor de resistência necessário para a base resistor RB. Mais uma vez, usamos a Lei de Ohm para calcular para RB:
RB = VIN – VBE(sat)
IB
RB = 5 – .6
.0015
RB = 2933.33 ohms
nota na fórmula acima, que VBE(sat) é a tensão de base necessária que deve estar presente, a fim de viés para a frente da junção base/emissor do transistor (ou seja, para ligar o transistor). De um modo geral, este valor é entre .6 to.7 volts para um transístor de uso geral., Verifique sempre o VBE (sat) listado na ficha de dados para verificar.
A Figura 4 mostra o circuito LED acabado com todos os componentes e parâmetros elétricos claramente marcados (a Lei de Ohm também foi usada para calcular a resistência para R (LED) e R(CE)).
FIGURA 4.
Agora temos os valores de resistência corretos, a fim de operar o circuito LED e transistor de uma forma segura: Rc = 200 ohms; e RB = 2933.33 ohms.tenho a certeza que reparaste que o nosso 2.,Resistor 933K não é um tamanho padrão que você pode realmente comprar em qualquer lugar. A regra geral neste caso diz que você pode usar o próximo valor padrão de resistência abaixo de 2.933 K (2.7 K a 2.87 K). Por quê?
a menor resistência apenas ajuda a diminuir a chance do transistor de cair do modo de saturação durante as variações de temperatura e fonte de alimentação, aumentando a corrente base (ou seja, transistor vai ainda mais fundo na saturação).
RECAP
vamos rever todas as etapas necessárias para usar um transistor como um interruptor:
- baixe as fichas de dados para o LED e transistor.,
- Determine a corrente máxima (IC (MAX)) que deseja percorrer o LED e o transistor, e verifique se não excede a classificação máxima da corrente do LED (IF) ou do transistor (Ic); consulte a ficha técnica.
- Calcule o valor para resistor Rc. Certifique-se de incluir as quedas de tensão para o LED (V(LED)) e o transistor (VCE(sat)) na fórmula da Lei de Ohm.
- Calcule a corrente de base IB do transistor utilizando um ODF de 10.
- Calcule o valor de resistência para a base resistor RB.é isso. Bem, talvez não.,
pontos importantes
- o desenhador de circuitos (você) determina qual a corrente de coletor de transístores correta(IC (sat)) deve ser olhando para as fichas de dados LED/transistor e verificando que a corrente que atravessa o circuito transistor/LED está abaixo das classificações máximas para ambos os dispositivos. Em outras palavras, a corrente de saturação (IC(sat)) fluindo através de um interruptor transistor não é determinada pelos parâmetros elétricos internos do transistor, mas sim pelos componentes externos (resistor/LED) empregados pelo designer do circuito.,
- Beta (ganho DC) como listado na ficha de dados não tem significado quando um transistor é usado como um interruptor (saturação/corte). Apenas os designers de amplificadores se preocupam com os vários níveis de corrente de coletor (ganho) entre a saturação e o corte. Em outras palavras, qualquer nível de corrente de coletor entre os dois estados operacionais de “saturação” e “recorte” (ou seja, região ativa) não é importante para o funcionamento de um circuito de comutador transistor.
- “saturação” em um circuito de comutação transistor é alcançada quando a tensão através do coletor / emissor (VCE(sat)) é menor ou igual a .,1 para .3 volts-dependendo do tipo de transistor. Nesse ponto de tensão, o transistor parece agir como um simples interruptor mecânico SPST que foi fechado (ligado).nota final
numa nota pessoal, quando eu estiver a bordo de um circuito só uso LEDs de furos, vermelhos, de 5 mm de diâmetro, ultra-brilhantes e transparentes de água. Já experimentei outros LEDs, mas os LEDs da cúpula são os melhores. São tão brilhantes que te magoam os olhos.
peça um saco de LEDs de Digi-Key, Jameco, ou Mouser para o seu próximo projeto — Isso torna a vida mais fácil., NV
opções de comutação
o interruptor do transistor pode ser muito útil numa variedade de circuitos. Infelizmente, em alguns casos, não é a melhor solução. Por exemplo, se você estiver construindo um circuito de ponte-H para controlar os motores de um robô operado por bateria, você não usaria quatro interruptores de transistor por causa do grande .7 queda de tensão em cada uma das junções base/emissor. Neste caso, um interruptor de MOSFET de energia seria uma melhor escolha-considerando a resistência on (RDS) através dos terminais de drenagem e fonte (i.e., um MOSFET é muito menor na saturação do que um transistor BJT.
FIGURA A. alguns outros opcionais dispositivos de comutação que você pode usar quando um simples transistor comutador ou MOSFET não é aplicável.
Fatos sobre o Transistor Comutador
- Qualquer nível de corrente de colector (Ic) entre os dois estados de saturação e corte não é importante para o design ou o funcionamento de um transistor comutador — é somente importante para o amplificador de designers.,quando o transistor é usado como um interruptor (Modo digital), DC Beta (hFE) não tem significado porque o transistor não está operando na região ativa em que os amplificadores funcionam. Um interruptor transistor está em Modo de saturação (totalmente ligado) ou em Modo de corte (totalmente desligado). Em outras palavras, a fórmula de ganho Ic = Beta x Ib é inválida além do ponto de saturação.
- A corrente de saturação (Ic(sat)) que flui através de um interruptor transistor não é determinada pelos parâmetros elétricos internos do transistor, mas sim pelos componentes externos (resistor / LED) empregados pelo desenhador do circuito.,
- para forçar um interruptor transistor a uma saturação profunda, o desenhador de circuitos adiciona um fator de overdrive à corrente de base.