Usando Transistor no Controle de Cargas (MEC326)

Escrito por Newton C Braga

Este artigo foi adaptado do livro Robotics, Mechatronics and Artificial Intelligence (esgotado) que publiquei nos Estados Unidos (*). Com pequenas adaptações e upgrades, ele ensina como controlar motores, relés, solenoides e outras cargas usando transistores.

MEC199S

(*) Uma nova edição em português, em espanhol e em inglês está sendo preparada com a finalidade de atender as modificações impostas no ensino de tecnologia no nível médio pelo BNCC (Base Comum Curricular) de 2018 e pelo STEM do programa americano semelhante aprovado em 2015 e analisado desde 2009.

 

Os relés não são os únicos componentes que podem ser usados para controlar uma carga com um sinal elétrico. O transistor também é aplicável a essa função, e há muitas vantagens em fazer isso. Eles são ideais para muitas aplicações em robótica e mecatrônica.

As principais vantagens são as seguintes:

- baixo custo

- tamanho pequeno

- alta velocidade

- alta sensibilidade

 

Existem dois tipos básicos de transistores: bipolar e efeito de campo. Vamos ver como eles podem ser usados como switches.

 

Transistores Bipolares

Existem dois tipos de transistores bipolares, categorizados de acordo com a estrutura interna do material semicondutor do qual eles são fabricados, conforme mostrado na Figura 1. A diferença básica entre os dois tipos é a direção do fluxo de corrente enquanto eles estão funcionando. Como mostrado na Figura 1, o transistor NPN conduz uma grande corrente entre o coletor e o emissor quando a base é positiva em relação ao emissor.

 

Figura 1 - Tipos de transistores bipolares
Figura 1 - Tipos de transistores bipolares

 

 

Em um transistor típico, a corrente entre o coletor e o emissor pode ser 100 vezes maior que a corrente aplicada à base, o que significa que esses dispositivos podem produzir ganhos de 100 ou mais. Na operação de um transistor NPN, o coletor deve estar conectado ao polo positivo, e o emissor ao polo negativo, da fonte de tensão. Veja a figura 2.

 

Figura 2 Operação de um transistor NPN
Figura 2 Operação de um transistor NPN

 

Por outro lado, o transistor PNP conduz uma grande corrente entre o emissor e o coletor (a direção inversa em comparação com um transistor NPN) quando a base é negativa em relação ao emissor, como mostra a Figura 3. A fonte de tensão deve ter o lado positivo conectado ao emissor e o negativo ao coletor. A carga a ser controlada por um transistor pode ser instalada entre o coletor e a fonte de alimentação ou entre o emissor e a fonte de alimentação, conforme mostrado na figura 4.

 

Figura 3 Operação de um transistor PNP.
Figura 3 Operação de um transistor PNP.

 

 

Figura 4 Conectando as cargas a um transistor NPN
Figura 4 Conectando as cargas a um transistor NPN

 

As principais características a serem consideradas em um transistor bipolar, quando utilizado em um projeto, são as seguintes:

- Vce. Esta é a tensão máxima que pode ser aplicada entre o coletor e o emissor sem queimar o transistor. Valores típicos estão entre 20 e 500 V.

- Ic. Esta é a corrente máxima que pode fluir através do terminal do coletor; é a corrente máxima que pode ser controlada pelo transistor. Valores típicos são entre 100 mA e 10 A. Os transistores que podem controlar correntes acima de 500 mA são denominados transistores de potência e normalmente devem ser montados em dissipadores de calor.

- Pd. Isto refere-se à máxima dissipação de potencia, isto é, a quantidade máxima potencia que pode ser convertida em calor pelo transistor. Os transistores com um Pd de 1 W ou mais também são classificados como transistores de potência e devem ser montados em dissipadores de calor.

Em circuitos robóticos e mecatrônicos, um transistor bipolar pode ser usado para realizar muitas tarefas. Uma é apenas ligar e desligar uma carga aplicando uma pequena corrente na base. A carga pode ser um relé, motor, lâmpada ou qualquer outro circuito eletrônico, como veremos nos blocos a seguir.

 

Transistor de efeito de campo ou FETs

Os transistores de efeito de campo são produzidos em quatro tipos básicos, como mostrado na Figura 5 Em 5a, vemos a junção FET (J-FET) e em 5b, nós representamos os dois tipos de transistores de efeito de campo semicondutor de óxido de metal (MOSFETs).

 

Figura 5 - O FET
Figura 5 - O FET

 

O princípio de operação desses transistores é o mesmo: a corrente entre o dreno e a fonte pode ser controlada por uma tensão aplicada ao gate. A direção da corrente e a polaridade da tensão aplicada ao gate (G) depende do tipo.

O canal N conduz a corrente quando a porta é positiva em relação à fonte. A Figura 6 mostra uma aplicação na qual a carga é instalada entre a fonte de alimentação e o dreno (d) do transistor. Os FETs podem ser usados ??para as mesmas funções que os transistores bipolares, como veremos nos blocos apresentados nesta seção.

 

Figura 6 - Usando o FET
Figura 6 - Usando o FET

 

As principais características a serem observadas nos FETs são as seguintes:

- Vds. Essa é a tensão máxima que pode ser aplicada entre o dreno e a fonte. Valores típicos estão no intervalo entre 50 e 1000 V.

- Id. Essa é a corrente máxima no dispositivo. Valores entre 50 mA e 100 A são comuns. Transistores especiais, conhecidos como FETs de potência ou MOSFETs de potência, podem controlar correntes acima de 1 A. Esses são transistores de potência que devem ser montados em dissipadores de calor.

- Pd. Esta é a quantidade máxima de energia que o transistor pode converter em calor quando estiver operando.