Baixe o app para aproveitar ainda mais
Prévia do material em texto
Circuitos de chaveamento Prof. Raphael de Souza dos Santos Descrição O conceito de transistores, seus diferentes tipos e a utilização dos transistores como chaves aplicáveis a circuitos elétricos. O desenvolvimento dos circuitos integrados, das portas lógicas e dos acopladores ópticos, fundamentais para a integração entre sistemas digitais e elétricos. Propósito É fundamental aos estudantes de Engenharia a discussão sobre a utilização de elementos do tipo transistor e circuitos integrados no chaveamento de circuitos, os diferentes tipos de transistores, algumas topologias e configurações. O desenvolvimento dos circuitos digitais e o aparecimento da lógica transistor a transistor (TTL) também serão apresentados, além dos acopladores ópticos e sua utilização no acionamento de circuitos elétricos. Objetivos Módulo 1 Circuitos transistorizados em chaveamento elétrico Descrever a aplicação de circuitos transistorizados no chaveamento de circuitos elétricos. Módulo 2 Circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos Descrever a aplicação de circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos. Introdução Assista ao vídeo a seguir e compreenda a importância dos circuitos de chaveamento. 1 - Circuitos transistorizados em chaveamento elétrico Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever a aplicação de circuitos transistorizados no chaveamento de circuitos elétricos. Vamos começar! Os circuitos transistorizados e a eletrônica industrial Assista ao vídeo e conheça os principais conceitos e aspectos sobre o chaveamento de circuitos elétricos. Transistores Um transistor é um componente eletrônico que possui dimensões bastante reduzidas. Suas aplicações em circuitos eletrônicos e eletrônicos de potência se dividem em dois trabalhos bastante diferentes. Os transistores podem funcionar como amplificadores ou como chaves. Veja a seguir mais sobre ambos: Ampli�cadores Quando funcionam como um amplificador, transitores recebem uma pequena corrente elétrica em uma extremidade (uma corrente de entrada) e produzem uma corrente elétrica muito maior (uma corrente de saída) na outra. De maneira bastante simplificada, é uma espécie de ganho de corrente. Isso é bastante útil em circuitos eletrônicos aplicados a alguns dispositivos. Por exemplo, um aparelho auditivo, um dos primeiros dispositivos nos quais os transistores foram aplicados, tem um pequeno microfone que capta sons do ambiente ao seu redor e os transforma em correntes elétricas que variam de acordo com esses sons do meio. Essas correntes são colocadas na entrada de um transistor que as amplifica e alimenta um pequeno alto-falante, para que seja possível ouvir uma versão muito mais alta desses sons captados. Aparelho auditivo Chaves Quando funcionam como chaves (interruptores), uma pequena corrente elétrica fluindo através de uma parte de um transistor pode fazer uma corrente muito maior fluir por meio de outra parte dele. Em outras palavras, uma pequena corrente pode ligar uma corrente maior. É essencialmente assim que todos os chips de computadores funcionam. Por exemplo, um chip de memória contém centenas de milhões ou mesmo bilhões de transistores, cada um dos quais pode ser ligado ou desligado individualmente. Como pode estar em dois estados distintos (ligado ou desligado), cada transistor armazena dois números diferentes, 0 e 1. Com bilhões de transistores, um chip pode armazenar bilhões de zeros e uns, e quase tantos números e letras comuns (ou caracteres, como chamadas). Chips de memória. Como os transistores são feitos? Os transistores são feitos de silício, um elemento químico que, normalmente, não conduz eletricidade (não permite que os elétrons fluam facilmente por ele). O silício é um semicondutor, o que significa que não é um condutor (permite a passagem da corrente) nem um isolante (que não permite a passagem da corrente). Contudo, se for tratado com impurezas (processo conhecido como dopagem), será possível fazer com que o silício se comporte de maneiras diferentes, tais como: Tipo n Quando dopado com elementos químicos, como arsênico, fósforo ou antimônio, ganha alguns elétrons "livres" extras – capazes de transportar uma corrente elétrica –, fazendo com que os elétrons fluam através dele mais facilmente. Como os elétrons têm carga negativa, é chamado de tipo n (tipo negativo). Tipo p Quando dopado com outras impurezas, como o boro, o gálio ou o alumínio, o silício tem menos elétrons "livres", então os elétrons em materiais próximos tenderão a fluir para ele. A esse tipo de silício denomina-se tipo p (tipo positivo). O silício tipo n e o tipo p não possuem carga em si. Ambos são eletricamente neutros, embora o silício tipo n tenha elétrons "livres" extras, o que aumenta sua condutividade e faz com que o silício tipo p tenha menos elétrons livres – isso aumenta sua condutividade de maneira oposta. Saiba mais Em cada caso, a condutividade extra vem da adição de átomos neutros (sem carga) de impurezas ao silício que, originalmente, era neutro como todos os elementos puros e não é capaz de criar cargas elétricas sem uma fonte externa. Tipos de transistores Existem dois tipos de transistores: transistor bipolar de junção (TBJ) e transistor de efeito de campo (FET). Veja a seguir: Pode ser dividido em NPN e PNP. Esses dois tipos possuem diferentes símbolos para serem identificados nos circuitos, como pode ser visto na imagem: Símbolos e camadas de um TBJ. Transistor bipolar de junção (TBJ) As letras referem-se às camadas de material semicondutor usado para fabricar cada transistor. A maioria dos transistores utilizados na indústria é do tipo NPN, tendo em vista a maior facilidade de fabricação desse transistor a partir do silício. Os terminais de um TBJ são identificados como base (B), coletor (C) e emissor (E). Esses termos se referem à operação interna do transistor. Os TBJs são dispositivos controlados por corrente, ou seja, uma corrente de entrada é capaz de controlar (conduzir ou amplificar) uma corrente na saída. Além dos transistores bipolares de junção, existem transistores de efeito de campo que são chamados de FETs. O FET é um dispositivo ativo de três terminais que usa um campo elétrico para controlar o fluxo de corrente e possui uma alta impedância de entrada que é útil em muitos circuitos. Na imagem a seguir, é possível observar os símbolos utilizados na identificação de FETs. Símbolos de um FET: A – tipo P e B – tipo N. Além do FET, os transistores de efeito de campo englobam os transistores de efeito de campo por junção (JFET) e os transistores do tipo FET, os de semicondutor de óxido metálico (MOSFET). Essa camada de óxido metálico nos MOSFETs ajuda no isolamento elétrico da entrada, aumentando sua resistência de entrada e permitindo uma redução no consumo de corrente. O MOSFET é bastante utilizado em fontes de alimentação. Um transistor tipo FET também possui três terminais diferentes: source (S), que é análogo ao emissor; dreno (D), análogo ao coletor; e gate (G), análogo à base. Transistor de efeito de campo (FET) Transistor como ampli�cador Embora alguns transistores controlem o movimento dos elétrons, nem todos funcionam da mesma maneira. No TBJ, dois contatos são unidos a dois pedaços de silício do tipo n, formando o emissor e o coletor. De maneira similar, um contato é unido a um silício do tipo p, sendo chamado de base, como pode ser visto na imagem a seguir: Junção de materiais em um transistor TBJ tipo NPN. Quando não há corrente fluindo no transistor, é possível intuir que o silício tipo p tem poucos elétrons (mostrados aqui pelos pequenos sinais de mais, representando cargas positivas), e os dois pedaços de silício tipo n têm elétrons extras (mostrados pelo pequeno sinal positivo). Em um FET, as camadas de silício tipo n e tipo p são dispostas de maneira ligeiramente diferente do TBJ e, quando revestidas com camadas de metal e óxido, produzem o MOSFET. Exemplo em con�guraçãode emissor comum Um transistor atua como um amplificador permitindo o aumento de um sinal fraco produzido na entrada de um circuito transistorizado. O circuito transistorizado deve ser alimentado com uma tensão contínua de polarização aplicada em seus terminais (que variam de acordo com a configuração desejada). Emissor comum Uma célula solar é um dispositivo fotovoltaico capaz de transformar a energia proveniente do Sol (energia luminosa) em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico. Suponha que é desejado medir a intensidade da corrente elétrica produzida por um painel solar (composto por diversas células solares interligadas) durante as várias horas do dia. A intensidade da corrente pode variar consideravelmente, dependendo das condições de luminosidade, tornando difícil ou até impossível realizar a medição com o uso direto de um amperímeto ou multímetro, como pode ser visto na imagem a seguir: Medição da corrente fornecida por um painel solar. Uma solução direta para esse problema de medição é o uso de um transistor para amplificar a corrente da célula solar, de modo que seja possível realizar a medição com o instrumento até mesmo para menos luz incidente sobre o painel. Com a utilização de um circuito amplificador, a proposta é que a corrente da célula seja amplificada, permitindo a medição inclusive nos momentos em que a luz incidente sobre o painel apresente baixa intensidade, como pode ser visto imagem a seguir. Amplificação da corrente fornecida por um painel solar em um circuito transistorizado. A corrente através do movimento do medidor nesse circuito será vezes a corrente da célula solar, como pode ser visto na relação entre as correntes do coletor e da base na Equação 1: β Eq. 1 Rotacione a tela. Onde o , também chamado de , é o ganho estático do transistor. Com um transistor de igual a 100, por exemplo, isso representa um aumento substancial na sensibilidade da medição. É prudente salientar que a energia adicional para mover a agulha do medidor vem da fonte de alimentação na extremidade direita do circuito, e não da própria célula solar. É fácil observar que com esse valor de uma corrente de base de apenas seria capaz de promover uma corrente de coletor igual a : Rotacione a tela. Tudo o que a corrente da célula solar faz é controlar a corrente da fonte de alimentação para o medidor. Isso permite fornecer uma corrente de leitura para o medidor maior do que a célula solar poderia fornecer sem amplificação. Como o transistor é um dispositivo regulador de corrente e como as indicações do medidor são baseadas na corrente por meio do circuito, a indicação do medidor nesse circuito deve depender proporcionalmente da corrente da célula solar, e não da tensão fornecida pela fonte. Outras configurações como coletor comum e base comum também podem ser utilizadas com propósitos específicos, permitindo a amplificação dos sinais provenientes da base do transistor. A corrente de emissor é definida como a soma entre as correntes de coletor e da base, como pode ser visto na Equação 2. Eq. 2 Rotacione a tela. Transistor como chave Quando um transistor é usado como chave, ele opera apenas em duas condições: IC = β ⋅ IB β hFE β β IB 100μA(0, 0001A) IC 10mA(0, 01A) IC = 100 ⋅ IB = 100 ⋅ 0, 0001 = 0, 01 A IE = IC + IB Ligado Desligado Não deve operar como amplificador e nunca estar "parcialmente" ligado (o que pode acontecer quando o circuito for mal dimensionado), podendo superaquecer e ser destruído. No estado ligado, a tensão entre o coletor e o emissor através do transistor é quase zero e o transistor é dito saturado porque não é possível passar mais corrente através do coletor do que já está passando. Nessa condição, toda a corrente disponível pela fonte é entregue ao dispositivo ligado ao coletor do transistor que é chamado de carga. Ao escolher um transistor para usar como chave, deve-se considerar sua corrente máxima de coletor e seu ganho mínimo de corrente . Exemplo de circuito Suponha um diodo emissor de luz (LED) que se deseja ligar e desligar com um interruptor. O projeto de um circuito para essa finalidade é bastante simples, como pode ser visto na imagem a seguir. Circuito para acionamento de um LED com um interruptor: (a) LED desligada e (b) LED ligada. O resistor é utilizado para limitar a corrente e a tensão sobre o diodo LED. Sendo assim, caso uma fonte de seja utilizada na alimentação de um diodo vermelho, cujas especificações são tensão de alimentação igual a e corrente de alimentação igual a , uma resistência deverá ser utilizada para polarizar o diodo LED com a alimentação adequada, como pode ser visto na equação a seguir: (VCE) Ic Ic(max) β(min) 10V 2, 0V 20mA Rotacione a tela. Assim, um resistor de deverá ser utilizado para polarizar adequadamente o diodo LED. Comentário Seria possível inserir um transistor no lugar do interruptor para controlar o fluxo de corrente através do LED, na medida em que é possível controlar a corrente entre o coletor e o emissor de um transistor. Como é a corrente através do LED que se deseja controlar, deve-se posicionar o coletor e o emissor do transistor onde estavam os dois contatos da chave, como pode ser visto na imagem: Circuito para acionamento de um LED com um transistor. Também devemos ter certeza de que a corrente do LED fluirá na direção do símbolo da seta do emissor para garantir que a polarização da junção do transistor esteja correta, como na imagem anterior. No exemplo, foi selecionado um transistor NPN. Entretanto, um transistor PNP também poderia ter sido escolhido, bastando para isso inverter a polarização da fonte de alimentação. Atenção! A escolha entre NPN e PNP é arbitrária, sendo que ambos os transistores possuem as mesmas características. Por esse motivo, é fundamental observar que as direções corretas das correntes sejam VFONTE − VResistor − VLED = 0 VResistor = VFONTE − VLED VResistor = 10 − 2 VResistor = 8 V VResistor = R. I R = VResistor I = 8V 20mA R = 8 0, 02 = 400Ω 400Ω mantidas de acordo com a polarização correta da junção (fluxo da corrente seguindo a seta do símbolo do transistor). Na imagem, a base do TBJ não está conectada a uma tensão adequada e, consequentemente, nenhuma corrente estará fluindo através da base. De acordo com o funcionamento dos transistores, essa ausência de corrente não permitirá ligar o transistor e, consequentemente, nenhuma corrente fluirá entre o emissor e o coletor do transistor. Para que o transistor possa ser ligado, é necessário permitir que uma corrente flua através da base do transistor. Isso é possível conectando-se uma chave entre a base e o coletor do transistor, como nas imagens a seguir: Polarização de corte Quando a chave estiver aberta, o fio base do transistor não estará conectado a nada e não haverá corrente através dele. Nesse caso, diz-se que o transistor está cortado (polarização de corte) (sem corrente fluindo entre o emissor e o coletor). Polarização de saturação Quando a chave for fechada, uma corrente poderá fluir da fonte para a base do transistor através da chave. Essa corrente de base permitirá um fluxo de corrente muito maior entre o coletor e o emissor, acendendo o LED. Nesse estado de corrente máxima do circuito, diz-se que o transistor está saturado (polarização de saturação). É importante destacar que um resistor precisa ser conectado entre a fonte e a base. Isso é necessário tendo em vista que a corrente de base é pequena (muito menor que as correntes de emissor e coletor), e o resistor permite que essa limitação na corrente da base seja imposta. Aplicações dos transistores Os transistores são usados no dia a dia em diversos equipamentos eletroeletrônicos, como amplificadores e aparelhos de comutação (chaveamento). Como amplificadores, eles estão sendo utilizados em osciladores, moduladores, detectores e praticamente em qualquer circuito para desempenhar uma função. Em um circuito digital,os transistores são usados principalmente como interruptores. De acordo com várias funcionalidades, existem transistores de diferentes tipos, como para funcionar em baixas e altas frequências, e de baixa, média e alta potências. Transistor com circuitos integrados A maioria dos circuitos integrados (CIs) não é capaz de fornecer grandes correntes de saída (nos circuitos em geral, as correntes são de poucos – miliampères). Portanto, pode ser necessário usar um transistor para permitir que uma corrente maior, necessária para dispositivos como lâmpadas, motores e relés, seja disponibilizada, como pode ser visto na imagem: mA Circuito para acionamento de um LED através de um circuito integrado. Um resistor de base limita a corrente que flui para a base do transistor a fim de evitar que seja danificado, também deve permitir que o fluxo de corrente de base seja suficiente para garantir que o transistor esteja totalmente saturado quando ligado. Um transistor que não está totalmente saturado quando ligado poderá superaquecer e se danificar, especialmente se o transistor estiver comutando uma corrente grande (maior do que 100mA). A determinação do valor do resistor é feita pela lei das tensões de um circuito: Rotacione a tela. Se a fonte tiver uma tensão de , a tensão entre coletor e emissor típica for igual a e a tensão na carga for igual a , teremos: Rotacione a tela. Onde é a tensão entre o coletor e o emissor do transistor. Cabe destacar que, em casos de dispositivos que demandem correntes acima do máximo permitido pelo transistor, um relé ou outro dispositivo que permita uma intensidade maior de corrente deverá ser utilizado. VFONTE − VResistor − VCARGA − VCE = 0 VResistor = VFONTE − VCARGA − VCE 15V (VCE) 3V 9V VResistor = 15 − 9 − 3 VResistor = 3V VResistor = R. I R = VResistor I VCE Transistor com sensores A imagem a seguir mostra como conectar um sensor de luz (LDR) a um transistor para fazer um “interruptor de circuito sensível à luz” para acionar um LED. Nesse exemplo, quando a luminosidade sobre o LDR for baixa, o LED deverá acender. O resistor variável ajusta a sensibilidade do sensor. Circuito para acionamento de um LED através de um sensor de luz. O par Darlington Um par Darlington consiste em um circuito em que dois transistores são conectados juntos de modo que a corrente amplificada pelo primeiro seja amplificada ainda mais pelo segundo transistor, como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito em par Darlington. O par se comporta como um único transistor com um ganho de corrente muito alto, de modo que apenas uma pequena corrente de base é necessária para ligar o par. O ganho de corrente do par Darlington é igual aos dois ganhos individuais e multiplicados juntos, como pode ser visto na Equação 3 : Eq. 3 Rotacione a tela. Isso dá ao par um ganho de corrente muito alto, por exemplo, 10.000x. Os pares Darlington estão comercialmente disponíveis como um pacote de transistor Darlington com três terminais (B, C e E) equivalentes aos de um transistor-padrão, sendo possível também fazer um par Darlington a partir de dois transistores comuns. (hFE) (hFE1 hFE2) hFE = hFE1 × hFE2 Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 Suponha um transistor TBJ. Considerando-se suas correntes de base e de coletor , é possível determinar que o seu ganho e a corrente de emissor são iguais a: Parabéns! A alternativa D está correta. (IB = 500μA) (IC = 10mA) A e β = 10 lE = 10 mA B e β = 10 lE = 10, 5 mA C e β = 20 lE = 20 mA D e β = 20 lE = 10, 5 mA E e β = 10 lE = 20 mA IC = β ⋅ IB β = IC IB = 10m 500μ β = 10 × 10−3 500 × 10−6 = 0, 02 × 10+3 β = 20 IE = IC + IB IE = 10m + 500μ IE = 10 × 10 −3 + 500 × 10−6 IE = 0, 01 + 0, 0005 = 0, 0105 IE = 10, 5mA Questão 2 Um circuito integrado será utilizado para acionar um transistor. O circuito será usado para ligar e desligar uma carga que possui tensão de alimentação de e de corrente. Para isso, será utilizada uma fonte com . Determine o resistor de limitação necessário para a energização dessa carga, sabendo que a tensão entre o coletor e o emissor do transistor é igual a . Parabéns! A alternativa A está correta. 10V 100mA 15V (VCE) 2V A 30Ω B 10Ω C 12Ω D 15Ω E 800Ω 2 - Circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos Ao �nal deste módulo, você será capaz de descrever a aplicação de circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos. Vamos começar! VFONTE − VResistor − VCARGA − VCE = 0 VResistor = VFONTE − VCARGA − VCE VResistor = 15 − 10 − 2 VResistor = 3 V VResistor = R. I R = VResistor I = 3V 100mA R = 3 0, 1 = 30Ω O chaveamento de circuitos elétricos através de controladores digitais Assista ao vídeo e conheça os principais conceitos e aspectos sobre o chaveamento de circuitos elétricos através de controladores digitais. Circuitos integrados Um circuito integrado (integrated circuit – CI) é, por vezes, chamado de chip, microchip ou circuito microeletrônico. Basicamente consiste em uma pastilha semicondutora na qual são fabricados milhares ou milhões de minúsculos componentes eletrônicos, tais como: Transistores Resistores Capacitores Diodos Um CI pode ser projetado ou configurado para funcionar como: amplificador; oscilador; temporizador; contador; porta lógica; memória de computador; microcontrolador; microprocessador. Um CI consiste no bloco de construção fundamental de todos os dispositivos eletrônicos modernos. Por exemplo, a parte mais importante de um computador (sua CPU ou unidade central de processamento) é um CI. Como o nome sugere, é um sistema integrado de vários componentes miniaturizados e interconectados embutidos em um substrato fino de material semicondutor (geralmente cristal de silício). Um exemplo de uma placa-mãe de um computador com os circuitos integrados pode ser visto na imagem: Placa-mãe com circuitos integrados. Componentes adicionais também podem residir no CI, todos interconectados por meio de uma rede complexa de pastilhas semicondutoras, silício, cobre e outros materiais. Em termos de tamanho, cada componente é pequeno, geralmente microscópico. O circuito resultante, um chip monolítico, também é minúsculo – muitas vezes apenas o suficiente para ocupar alguns milímetros quadrados ou centímetros de espaço. Como já citado, um exemplo comum de um CI moderno é o processador do computador, que normalmente contém milhões ou bilhões de transistores, capacitores, portas lógicas etc., conectados entre si para formar um circuito digital complexo. Embora o processador seja um CI, nem todos os CIs são processadores. Processador de computador. Entre os circuitos integrados mais conhecidos e utilizados comercialmente, estão os de lógica transistor a transistor (TTL ou T2L), introduzidos no final da década de 1960. A lógica TTL cresceu rapidamente para ser o tipo mais utilizado entre os circuitos integrados digitais. Muitas melhorias e variações foram adicionadas desde a sua primeira versão. Nos dias atuais, a TTL continua sendo uma escolha popular entre os circuitos integrados. Lógica TTL O TTL é mais bem representado pela série SN 54/74 de circuitos integrados digitais. A Texas Instruments Corporation desenvolveu originalmente essa série de CIs lógicos, mas várias empresas os fabricam e usam o mesmo sistema de numeração. Exemplo de portas lógicas. A série SN 54 (SN significa rede de semicondutores ou semiconductors network) é mais cara e projetada para maior faixa de temperatura do que a série SN 74. Os dispositivos SN 54 operam em uma faixa de temperaturas de -55 a +125°C, enquanto os dispositivos SN 74 operam em uma faixa de 0 a 70°C. Os CIs TTL operam com uma tensão de alimentação de 5 volts e requerem uma fonte de alimentação de 5 volts bem regulada. Portas lógicas As portas lógicas digitais podem ter mais de uma entrada, por exemplo, entradas A, B, C, D etc., mas geralmentetêm apenas uma saída digital (Q), como observado na figura a seguir: Simbologia de uma porta lógica. Portas lógicas podem ser conectadas de maneira individual ou em cascata para formar uma função de porta lógica com qualquer número desejado de entradas, para formar circuitos do tipo combinacional e sequencial ou para produzir funções de porta lógica diferentes das portas-padrão (essenciais). As portas lógicas digitais padronizadas comercialmente estão disponíveis em duas famílias básicas: TTL (Transistor–transistor logic) Como a série 7400. CMOS (Complementary metal-oxide-silicon) Como a série 4000 de chips. Essa notação de TTL ou CMOS refere-se à tecnologia lógica usada para fabricar o CI. De modo geral, os CIs lógicos TTL usam transistores bipolares de junção do tipo NPN e PNP, enquanto os CIs lógicos CMOS usam transistores de efeito de campo do tipo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) ou transistores de efeito de campo por junção (JFET) complementares para seus circuitos de entrada e saída. O uso de transistores para a construção de portas lógicas depende de sua funcionalidade como chaves rápidas. Como já falado, quando a junção base-emissor é ligada o suficiente para ser levada à saturação, a tensão do coletor em relação ao emissor pode ser próxima de zero e usada para construir portas para a família lógica TTL. Porta E (AND) Para a lógica E, os transistores estão em série e ambos devem permanecer no estado de condução para que a saída seja ligada (colocada em nível lógico alto), como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito transistorizado de uma porta E. Porta OU (OR) Para a lógica OU, os transistores estão em paralelo e a saída é levada ao nível lógico alto (ligada) se qualquer um dos transistores estiver conduzindo, como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito transistorizado de uma porta OU. Portas NÃO E (NAND) Para a lógica NAND, os transistores estão em série, mas a saída está acima deles. A saída é alta, a menos que ambas as entradas A e B sejam altas – nesse caso, a saída é reduzida perto do potencial de terra (desligada ou colocada em nível lógico baixo), como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito transistorizado de uma porta NÃO E. Portas NÃO OU (NOR) A porta lógica NÃO OU pode ser montada em circuitos com um ou dois transistores. Na alternativa com apenas um transistor, as duas entradas são ligadas à sua base por meio de resistores. Se uma ou ambas as entradas forem altas (ligadas), a saída será baixa (desligada), como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito transistorizado de uma porta NÃO OU com um transistor. Para a lógica NOR com dois transistores, eles estão em paralelo com a saída acima, de modo que, se uma ou ambas as entradas estiverem altas (ligadas), a saída será baixa (desligada), como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito transistorizado de uma porta NÃO OU com dois transistores. Estados lógicos digitais Como visto, uma porta lógica digital é um bloco de construção básico a partir do qual todos os circuitos eletrônicos digitais e sistemas baseados em microprocessadores são construídos. Essas portas lógicas digitais básicas realizam operações lógicas de E, OU e NÃO, em: Números binários (0 ou 1) Níveis lógicos (Alto ou baixo) Isso é possível tendo em vista que apenas dois níveis ou estados de tensão são permitidos em circuitos digitais, e esses estados são geralmente referidos como Lógico “1” e Lógico “0”, ou ALTO e BAIXO, ou VERDADEIRO e FALSO. Esses dois estados são representados na álgebra booleana e nas tabelas-verdade pelos dígitos binários de “1” e “0”, respectivamente. Um exemplo de estado digital pode ser visto em um simples interruptor de luz. O interruptor pode estar “ligado” ou “desligado”, um estado ou outro, mas não ambos ao mesmo tempo, conforme a figura a seguir. Interruptor no estado ligado e no estado desligado. Classi�cações de circuitos integrados Os circuitos integrados podem ser classificados de acordo com seu “porte”, ou seja, com a quantidade de transistores utilizados em sua formação de acordo com as categorias a seguir: Integração de Pequena Escala (SSI) Contém até 10 transistores ou algumas portas em um único pacote, como portas AND, OR, NOT. Integração de Média Escala (MSI) Contém entre 10 e 100 transistores ou dezenas de portas dentro de um único pacote e realiza operações digitais como somadores, decodificadores, contadores, flip-flops e lti l d multiplexadores. Integração em Grande Escala ou (LSI) Contém entre 100 e 1.000 transistores ou centenas de portas e realiza operações digitais específicas, como chips de E/S, memória, unidades aritméticas e lógicas. Very-Large Scale Integration (VLSI) Contém entre 1.000 e 10.000 transistores ou milhares de portas e realiza operações computacionais como processadores, grandes arrays de memória e dispositivos lógicos programáveis. Super-Large Scale Integration (SLSI) Contém entre 10.000 e 100.000 transistores dentro de um único pacote e realiza operações computacionais como chips microprocessadores, microcontroladores, PICs (Programmable Interface Controller - Controlador de Interface Programável) básicos e calculadoras. Ultra-Large Scale Integration (ULSI) Contém mais de 1 milhão de transistores – os big boys que são usados em CPUs de computadores, GPUs, processadores de vídeo, microcontroladores, FPGAs (field- programmable gate array - matriz de portas programáveis) e PICs complexos. Acopladores ópticos Os acopladores ópticos podem ser descritos por diferentes terminologias, incluindo isolador óptico e fotoacoplador. Essencialmente, um acoplador óptico ou fotoacoplador é um dispositivo semicondutor que usa um sinal óptico para acoplar um sinal de um circuito elétrico a outro enquanto fornece isolamento elétrico entre eles. Os fotoacopladores ou acopladores ópticos geralmente estão contidos em um único circuito integrado, embora haja um grande grau de variação de acordo com a aplicação pretendida. Exemplo É possível realizar um acoplamento óptico entre dois circuitos fazendo com que um deles tenha condições de emitir um sinal luminoso e o outro circuito possua um ou mais sensores que sejam sensibilizados por luz. São utilizados em muitas funções, como para estabelecer um tipo de “vínculo” entre os dados de dois circuitos e podem ser usados em codificadores ópticos, cujo acoplador óptico fornece um meio de detectar transições de borda visíveis em uma roda de codificador para detectar posição e em diversos circuitos onde são necessários links ópticos e transições, mas onde a interação direta entre os circuitos não seja permitida ou desejável. Por exemplo, em aplicações onde circuitos que apresentam níveis de tensão muito diferentes ou grandezas de naturezas distintas. Eles ainda formam o elemento essencial em relés de estado sólido, que são dispositivos eletrônicos que utilizam semicondutores para operação sem contato físico entre seus terminais. Os relés de estado sólido não são muito diferentes em operação dos relés de contato (relés eletromagnéticos). Um acoplamento óptico é usado para isolar eletricamente a entrada e a saída, enquanto permite que a saída seja comutada (ligada ou desligada) de acordo com o estado de entrada, como pode ser visto na imagem a seguir: Circuito de um relé de estado sólido com um fototransistor. Estrutura básica O acoplador óptico é um componente que contém dois elementos necessários para um isolamento óptico, como veremos a seguir. O emissor de luz está no lado de entrada. Ele recebe o sinal de entrada e o converte em um sinal luminoso. Normalmente, o emissor de luz é um diodo emissor de luz (LED). O detector de luz dentro do acoplador óptico ou isolador óptico detecta a luz do emissor e a converte de volta em um sinal elétrico. O detector de luz pode ser qualquer um dos vários tipos diferentes de dispositivos, tais como um fotodiodo, um fototransistor, um foto-Darlington, entre outros. O emissor de luz e o detectorsão especificados para serem capazes de interagir um com o outro, tendo comprimentos de onda correspondentes para que o acoplamento máximo seja alcançado. O acoplador óptico também pode conter outros circuitos, por exemplo, pode incluir um resistor em série com o LED para limitação de corrente, permitindo o acionamento seguro do diodo. Também pode incluir um Um emissor de luz Um detector de luz amplificador de saída para aumentar o sinal produzido. Embora um acoplador óptico ou isolador óptico seja geralmente pensado como um único pacote integrado, é possível obter o mesmo resultado usando dispositivos separados. No entanto, os arranjos mecânicos precisam ser cuidadosamente especificados quando circuitos separados são considerados. Isso geralmente torna um acoplador óptico feito de dispositivos separados menos conveniente, embora possa haver a necessidade de utilização de componentes separados em algumas aplicações. Terminologia Os termos fotoacoplador, acoplador óptico e isolador óptico são frequentemente usados de forma intercambiável na literatura eletrônica e técnica quando se referem a componentes que realizam a mesma função. A rigor, existem diferenças entre os termos isolador óptico e acoplador óptico. O fator de distinção entre eles está na diferença de tensão esperada entre a entrada e a saída: Isolador óptico É geralmente usado em sistemas de energia e usado para transmitir informações analógicas ou digitais entre circuitos nos quais a diferença de potencial é superior a 5.000 volts. Acoplador óptico É geralmente considerado para transmitir sinais analógicos de informação digital entre circuitos, mantendo o isolamento elétrico em potenciais de até 5.000 volts. O símbolo do acoplador óptico usado nos diagramas para representação de circuitos elétricos indica a função e os elementos internos dentro do componente de maneira geral. O símbolo mostra um LED, normalmente usado como emissor de luz, um receptor, geralmente um fototransistor ou foto-Darlington, embora outros dispositivos, incluindo diodo de corrente alternada (DIACs) sensível à luz, entre outros, também possam ser utilizados. O tipo de dispositivo a ser considerado é mostrado dentro do símbolo do acoplador óptico. Comentário Entre as configurações de acopladores ópticos bastante utilizadas em aplicações de alimentação em corrente alternada, estão os acopladores ópticos baseados no acionamento de DIACs ou para acionamento de triodo de corrente alternada (TRIACs) em aplicações de comutação de rede elétrica ou controle de ângulo de comutação. Para os acopladores ópticos usados para tensões mais baixas, uma variedade de configurações está disponível. Frequentemente, os acopladores ópticos vêm em pequenos encapsulamentos, conhecidos como: Dual-in-line (DIL) Para componentes de montagem convencionais. Small outline integrated circuit (SOIC) Versões SMD. Fornecem opções mais compactas para os acopladores ópticos. Para os encapsulamentos SOIC, deve-se ter a certeza de que todos os requisitos de isolamento sejam adequadamente atendidos. Para isoladores ópticos operando em tensões muito mais altas, diferentes encapsulamentos estão disponíveis. Isoladores ópticos em formatos retangulares, cilíndricos e em configurações especiais também estão disponíveis. Esses tipos de encapsulamento são projetados para fornecer tensões de isolamento mais altas do que as que podem ser alcançadas com pacotes do tipo DIL e surface mounted device (SMD), como o SOIC. Especi�cações Existem vários parâmetros e especificações que precisam ser levados em consideração na utilização de acopladores ópticos e isoladores ópticos: Taxa de transferência real (CTR) É uma das principais especificações. É a razão entre a corrente que flui no dispositivo de saída dividida pela corrente no dispositivo de entrada. O CTR varia de acordo com o tipo de dispositivo utilizado na saída do acoplador óptico. Aqueles que utilizam foto-Darlingtons serão muito maiores do que aqueles que utilizam fototransistores comuns, tendo em vista t d íd t d i D t CTR t i que as correntes de saída tendem a ser superiores. Deve-se notar que o CTR costuma variar com o nível de corrente de entrada. Embora varie de acordo com o dispositivo, para acopladores ópticos manuais, o pico para níveis de corrente de entrada gira em torno de 10mA. Largura de banda Para ser capaz de representar o espectro de taxas de dados que podem ser processadas através de um acoplador óptico, é necessário conhecer a largura de banda. Para muitos acopladores ópticos que usam fototransistores, essa banda pode compreender a região de 250kHz, e para aqueles que usam foto-Darlingtons, pode ser um décimo desse valor. Alguns acopladores ópticos muito mais rápidos estão disponíveis. Normalmente, quanto menor o CTR, mais rápidos os tempos de subida e descida. Corrente de entrada Esta é a corrente necessária para estimular o dispositivo transmissor de entrada, por exemplo, o diodo LED. O valor é usado para calcular o resistor em série utilizado para limitar a corrente. Tensão máxima do dispositivo de saída Para acopladores ópticos que utilizam transistores, o valor máximo será igual à tensão entre o coletor e o emissor do transistor. Para acopladores ópticos usando outros dispositivos na saída, uma análise equivalente deve ser empregada. Vale lembrar que é importante considerar uma margem de segurança adequada, pois não é recomendável operar os dispositivos perto de suas especificações máximas. Por exemplo, em alguns casos, utilizam-se margens de segurança que giram em torno de 10% do valor máximo que o dispositivo é capaz de suportar, ou seja, para um dispositivo que possa tolerar uma tensão de 20V em sua saída, cargas com até no máximo 18V podem ser acionadas. VCE(max) Falta pouco para atingir seus objetivos. Vamos praticar alguns conceitos? Questão 1 As portas lógicas são componentes da eletrônica digital e fundamentais para o desenvolvimento de uma ampla variedade de circuitos combinacionais e sequenciais. A porta lógica formada por dois transistores e cuja saída é ligada quando as duas entradas dos transistores estão em nível lógico alto é denominada: Parabéns! A alternativa A está correta. A porta lógica E é construída com dois transistores em série e, para que a saída seja ligada, ambos os transistores devem ser colocados em estado de condução, ou seja, as duas entradas devem ser colocadas em nível lógico alto. Questão 2 Um acoplador óptico é um dispositivo eletrônico que permite acoplar dois circuitos mantendo o isolamento elétrico entre eles. Entre os componentes de um acoplador óptico, aquele que recebe um sinal de entrada e o converte em um sinal luminoso é denominado: A Porta E. B Porta OU. C Porta NÃO E. D Porta NÃO OU. E Porta NOR. Parabéns! A alternativa B está correta. O emissor de luz é a parte do acoplador óptico que recebe um sinal de entrada e o converte em sinal luminoso, estimulando um dispositivo detector, geralmente um LED. Considerações �nais Este conteúdo teve como foco o chaveamento de circuitos eletroeletrônicos e suas aplicações em circuitos elétricos. Na primeira parte, foram apresentados os circuitos de chaveamento baseados em transistores. Foram discutidos os tipos de transistores e seu processo de construção. Vimos o conceito de dopagem de material e as múltiplas camadas. Um exemplo de transistor na configuração emissor comum foi discutido e apresentado em detalhes. O uso de transistores com circuitos integrados, sensores e o uso dos transistores em par Darlington também foram apresentados. A TRIAC. B Emissor de luz. C Detector de luz. D DIAC. E Fototransistor. Na segunda parte, vimos, ainda, os conceitos de circuitos integrados e os processos de fabricação dos CIs. O conceito de portas lógicas, suas diversas configurações e os estados lógicos digitais foram apresentados. Por fim, estudamos a estrutura básica dos acopladores, suas terminologias e especificações. PodcastPara encerrar, ouça o resumo dos principais tópicos abordados. Explore + Diversos simuladores de portas lógicas são disponibilizados por desenvolvedores e permitem conhecer melhor e visualizar o funcionamento das portas lógicas. O EasySim está disponível de forma gratuita, incluindo diversas funcionalidades como as portas lógicas simples e os circuitos digitais mais complexos. O simulador on-line Falstad permite visualizar o funcionamento de circuitos transistorizados e de portas lógicas, além da visualização dos sinais e dos valores lógicos de um circuito. Referências BANSAL, M. et al. Phototransistor: the story so far. Journal of Electronics, v. 2, n. 4, p. 202-210, 2020. BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos. [s.l.]: Prentice Hall, 2013. HODGES, D. A. Darlington's contributions to transistor circuit design. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, v. 46, n. 1, p. 102-104, 1999. POMILIO, J. A. Fontes chaveadas. Publicaçao FEEC, v. 13, p. 95, 2008. SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. [s.l.]: Pearson Prentice Hall, 2007. TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S. Sistemas digitais. 8. ed. [s.l.]: [s.n.], 2003. TEIXEIRA, H. T.; TAVARES, M. F.; PEREIRA, R. V. M. Sistemas digitais. [s.l.]: [s.n.], 2017. Material para download Clique no botão abaixo para fazer o download do conteúdo completo em formato PDF. Download material O que você achou do conteúdo? Relatar problema javascript:CriaPDF()
Compartilhar