Comutação de transistor para relés, motores e LEDs

Um transistor pode funcionar como um interruptor eletrônico para controlar a corrente em um circuito. Ele usa um pequeno sinal para ligar ou desligar cargas maiores, tornando-o útil em muitos sistemas eletrônicos. Este artigo explica como os transistores BJT e MOSFET são usados na comutação, incluindo controle do lado baixo e alto, resistores de base e porta, proteção de carga indutiva e interface de microcontrolador em detalhes.

Visão geral da comutação do transistor

Um transistor é um dispositivo semicondutor que pode funcionar como um interruptor eletrônico para controlar o fluxo de corrente em um circuito. Ao contrário dos interruptores mecânicos que abrem ou fecham fisicamente um caminho, um transistor executa a comutação eletronicamente usando um sinal de controle aplicado à sua base (BJT) ou porta (FET). Em aplicações de comutação, o transistor opera apenas em duas regiões principais: a região de corte (estado OFF), onde não há fluxo de corrente e o transistor se comporta como um interruptor aberto, e a região de saturação (estado ON), onde a corrente máxima flui com queda mínima de tensão, agindo como um interruptor fechado.

Estados de comutação do transistor

Aplicações de transistores em circuitos de comutação

Controle de relé e solenóide

Os transistores acionam relés e solenóides fornecendo a corrente de bobina necessária que os microcontroladores não podem fornecer diretamente. Um diodo flyback é usado para proteção contra picos de tensão.

Comutação de LED e Lamp

Os transistores comutam LEDs e pequenas lâmpadas usando sinais de controle baixos enquanto protegem o circuito de controle do excesso de corrente. Eles são usados em indicadores, displays e controle de iluminação.

Drivers de motor

Os transistores acionam motores CC atuando como interruptores de alta corrente. Os BJTs ou MOSFETs de potência são usados para controle confiável em robótica, ventiladores, bombas e sistemas de automação.

Circuitos de gerenciamento de energia

Os transistores são usados na comutação, proteção e regulação eletrônica de energia. Eles aparecem em carregadores de bateria, conversores CC e circuitos de controle automático de energia.

Interfaces do microcontrolador

Os transistores fazem interface com microcontroladores com cargas de alta potência. Eles amplificam sinais lógicos fracos e permitem o controle de relés, motores, campainhas e LEDs de alta corrente.

Transistor NPN como um switch

Um transistor NPN pode ser usado como um interruptor eletrônico para controlar cargas como LEDs, relés e pequenos motores usando um sinal de baixa potência de dispositivos como sensores ou microcontroladores. Quando o transistor opera como um switch, ele funciona em duas regiões: corte (estado OFF) e saturação (estado ON). Na região de corte, nenhuma corrente de base flui e o transistor bloqueia a corrente no lado do coletor, de modo que a carga permanece DESLIGADA. Na região de saturação, a corrente de base suficiente flui para ligar totalmente o transistor, permitindo que a corrente passe do coletor para o emissor e alimente a carga.

Para usar um transistor NPN como um interruptor, um resistor de base (RB) é necessário para limitar a corrente que entra na base. A corrente de base é calculada usando:

onde IC é a corrente através da carga e βforced é um valor de ganho reduzido usado para comutação segura, β/10. O resistor de base é então calculado usando:

onde VIN é a tensão de controle e VBE é a tensão base-emissor (cerca de 0,7 V para transistores de silício). Essas fórmulas ajudam a garantir que o transistor receba corrente de base suficiente para alternar corretamente sem ser danificado.

Transistor PNP como um interruptor

Um transistor PNP também pode ser usado como chave, mas é aplicado na comutação do lado alto, onde a carga é conectada ao terra e o transistor controla a conexão com a tensão de alimentação positiva. Nesta configuração, o emissor do transistor PNP é conectado ao +VCC, o coletor é conectado à carga e a carga se conecta ao terra. O transistor liga quando a base é puxada para baixo (abaixo da tensão do emissor) e desliga quando a base é puxada para cima (perto de +VCC). Isso torna os transistores PNP adequados para circuitos de comutação onde a carga deve ser conectada diretamente ao trilho positivo, como na fiação automotiva e nos sistemas de distribuição de energia.

Para limitar a corrente que flui para a base, é necessário um resistor de base (RB). A corrente de base é calculada usando:

onde IC é a corrente do coletor e βforçado é considerado um décimo do ganho típico do transistor para comutação confiável. O valor do resistor de base é então calculado usando:

Nos transistores PNP, o VBE é de aproximadamente -0,7 V quando polarizado diretamente. O sinal de controle deve ser puxado para baixo o suficiente para polarizar a junção base-emissor e ligar o transistor.

Resistor de base na comutação BJT

Ao usar um transistor BJT como chave, um resistor de base (RB) é necessário para controlar a corrente que entra no terminal de base. O resistor protege o transistor e a fonte de controle, como um pino do microcontrolador, de muita corrente. Sem esse resistor, a junção base-emissor pode consumir corrente excessiva e danificar o transistor. O resistor de base também garante que o transistor alterne corretamente entre os estados OFF e ON.

Para ligar totalmente o transistor (modo de saturação), corrente de base suficiente deve ser fornecida. A corrente base IB é calculada usando o IC de corrente do coletor e um valor de ganho seguro chamado beta forçado:

Em vez de usar o ganho normal do transistor (beta), um valor mais baixo chamado beta forçado é usado para segurança:

Depois de calcular a corrente de base, o valor do resistor de base é encontrado usando a Lei de Ohm:

Aqui, VIN é a tensão de controle e VBE é a tensão base-emissor, em torno de 0,7 V para BJTs de silício.

Comutação MOSFET no controle de nível lógico

Os MOSFETs são usados como interruptores eletrônicos em circuitos modernos porque oferecem maior eficiência e menor perda de energia em comparação com os BJTs. Um MOSFET opera aplicando uma tensão ao seu terminal de porta, que controla o fluxo de corrente entre o dreno e a fonte. Ao contrário dos BJTs que requerem corrente de base contínua, os MOSFETs são acionados por tensão e quase não consomem corrente na porta, tornando-os adequados para sistemas alimentados por bateria e baseados em microcontroladores.

Os MOSFETs são preferidos para aplicações de comutação porque suportam velocidades de comutação mais rápidas, manuseio de corrente mais alto e resistência ON RDS(on) muito baixa, o que minimiza o aquecimento e a perda de energia. Eles são comumente usados em drivers de motor, tiras de LED, relés, conversores de energia e sistemas de automação. Os MOSFETs de nível lógico são especialmente projetados para ligar totalmente em baixas tensões de porta, 5V ou 3,3V, tornando-os ideais para interface direta com microcontroladores como Arduino, ESP32 e Raspberry Pi sem a necessidade de um circuito de driver de porta.

Os MOSFETs de nível lógico comumente usados incluem:

• IRLZ44N – adequado para comutar cargas de alta potência, como motores CC, relés e fitas de LED.

• AO3400 – MOSFET SMD compacto adequado para aplicações de comutação digital de baixa potência.

• IRLZ34N – usado para cargas de corrente média a alta em robótica e automação.

Comutação do lado baixo e do lado alto

Comutação do lado baixo

Na comutação do lado baixo, o transistor é colocado entre a carga e o terra. Quando o transistor é ligado, ele completa o caminho para o terra e permite que a corrente flua através da carga. Este método é simples e fácil de usar, por isso é comum em circuitos digitais e baseados em microcontroladores. A comutação do lado baixo é feita usando transistores NPN ou MOSFETs de canal N porque são fáceis de acionar com um sinal de controle referenciado ao terra. Este método é usado para tarefas como comutação de LEDs, relés e pequenos motores.

Comutação do lado alto

Na comutação do lado alto, o transistor é colocado entre a fonte de alimentação e a carga. Quando o transistor liga, ele conecta a carga à fonte de tensão positiva. Este método é usado quando a carga deve permanecer conectada ao terra por motivos de segurança ou referência de sinal. A comutação do lado alto é feita usando transistores PNP ou MOSFETs de canal P. No entanto, é um pouco mais difícil de controlar porque a base ou portão deve ser conduzido a uma tensão mais baixa do que a fonte para ligá-lo. A comutação do lado alto é comumente usada em circuitos automotivos, sistemas alimentados por bateria e aplicações de controle de energia.

Proteção de comutação de carga indutiva

Quando um transistor é usado para controlar cargas indutivas como motores, relés, solenóides ou bobinas, ele precisa de proteção contra picos de tensão. Essas cargas acumulam energia em um campo magnético enquanto a corrente flui através delas. No momento em que o transistor é desligado, o campo magnético entra em colapso e libera essa energia como um pico repentino de alta tensão. Sem proteção, esse pico pode danificar o transistor e afetar todo o circuito.

Para evitar isso, componentes de proteção são adicionados ao longo da carga. O mais comum é um diodo flyback, como o 1N4007, conectado ao contrário através da bobina. Este diodo dá à corrente um caminho seguro para fluir quando o transistor desliga, interrompendo o pico de tensão. Em circuitos onde o ruído elétrico deve ser controlado, um amortecedor RC (um resistor e capacitor em série) é usado para reduzir pulsos agudos. Para circuitos que lidam com tensões mais altas, um diodo TVS (Transient Voltage Suppression) é usado para limitar picos perigosos e proteger peças eletrônicas.

Interface do microcontrolador com comutação de transistor

Microcontroladores como Arduino, ESP32 e STM32 podem fornecer apenas uma pequena corrente de saída de seus pinos GPIO. Essa corrente é limitada a cerca de 20 a 40 mA, o que não é suficiente para alimentar dispositivos como motores, relés, solenóides ou LEDs de alta potência. Para controlar essas cargas de corrente mais altas, um transistor é usado entre o microcontrolador e a carga. O transistor funciona como um interruptor eletrônico que permite que um pequeno sinal do microcontrolador controle uma corrente maior de uma fonte de alimentação externa.

Ao escolher um transistor, certifique-se de que ele possa ligar totalmente com a tensão de saída do microcontrolador. Os MOSFETs de nível lógico são uma boa escolha para cargas maiores porque têm baixa resistência ON e permanecem frios durante a operação. BJTs como o 2N2222 são adequados para cargas menores.

Conclusão 

Os transistores são interruptores eletrônicos confiáveis usados para controlar LEDs, relés, motores e circuitos de energia. Usando a base correta ou resistor de porta, adicionando proteção flyback para cargas indutivas e escolhendo o método de comutação correto, os circuitos se tornam seguros e eficientes. Compreender a comutação de transistores ajuda a projetar sistemas eletrônicos estáveis com controle e proteção adequados.

Perguntas Frequentes [FAQ]

Por que escolher um MOSFET em vez de um BJT para comutação?

Um MOSFET comuta mais rápido, tem menor perda de energia e não precisa de corrente de porta contínua.

O que faz com que um transistor superaqueça nos circuitos de comutação?

O calor é causado pela perda de energia durante a comutação, calculada como P = V × I, se o transistor não estiver totalmente ligado.

O que é RDS(on) em um MOSFET?

É a resistência ON entre o dreno e a fonte. Menor RDS(on) significa menor calor e melhor eficiência.

Um transistor pode comutar cargas CA?

Não diretamente. Um único transistor funciona apenas para DC. Para cargas CA, SCRs, TRIACs ou relés são usados.

Por que o portão ou base não deve ser deixado flutuando?

Um portão ou base flutuante pode captar ruído e causar comutação aleatória, levando a uma operação instável.

Como uma porta MOSFET pode ser protegida de alta tensão?

Use um diodo zener entre a porta e a fonte para prender a tensão extra e evitar danos à porta.