Circuitos de chaveamento

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<p>Circuitos de chaveamento</p><p>O conceito de transistores, seus diferentes tipos e a utilização dos transistores como chaves aplicáveis a</p><p>circuitos elétricos. O desenvolvimento dos circuitos integrados, das portas lógicas e dos acopladores</p><p>ópticos, fundamentais para a integração entre sistemas digitais e elétricos.</p><p>Prof. Raphael de Souza dos Santos</p><p>1. Itens iniciais</p><p>Propósito</p><p>É fundamental aos estudantes de Engenharia a discussão sobre a utilização de elementos do tipo transistor e</p><p>circuitos integrados no chaveamento de circuitos, os diferentes tipos de transistores, algumas topologias e</p><p>configurações. O desenvolvimento dos circuitos digitais e o aparecimento da lógica transistor a transistor</p><p>(TTL) também serão apresentados, além dos acopladores ópticos e sua utilização no acionamento de circuitos</p><p>elétricos.</p><p>Objetivos</p><p>Descrever a aplicação de circuitos transistorizados no chaveamento de circuitos elétricos.</p><p>Descrever a aplicação de circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos.</p><p>Introdução</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>•</p><p>•</p><p>1. Circuitos transistorizados em chaveamento elétrico</p><p>Vamos começar!</p><p>Os circuitos transistorizados e a eletrônica industrial</p><p>Assista ao vídeo e conheça os principais conceitos e aspectos sobre o chaveamento de circuitos elétricos.</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Transistores</p><p>Um transistor é um componente eletrônico que possui dimensões bastante reduzidas. Suas aplicações em</p><p>circuitos eletrônicos e eletrônicos de potência se dividem em dois trabalhos bastante diferentes. Os</p><p>transistores podem funcionar como amplificadores ou como chaves. Veja a seguir mais sobre ambos:</p><p>Amplificadores</p><p>Quando funcionam como um amplificador, transitores recebem uma</p><p>pequena corrente elétrica em uma extremidade (uma corrente de</p><p>entrada) e produzem uma corrente elétrica muito maior (uma corrente de</p><p>saída) na outra. De maneira bastante simplificada, é uma espécie de</p><p>ganho de corrente. Isso é bastante útil em circuitos eletrônicos aplicados</p><p>a alguns dispositivos.</p><p>Por exemplo, um aparelho auditivo, um dos primeiros dispositivos nos</p><p>quais os transistores foram aplicados, tem um pequeno microfone que</p><p>capta sons do ambiente ao seu redor e os transforma em correntes</p><p>elétricas que variam de acordo com esses sons do meio. Essas correntes</p><p>são colocadas na entrada de um transistor que as amplifica e alimenta</p><p>um pequeno alto-falante, para que seja possível ouvir uma versão muito</p><p>mais alta desses sons captados.</p><p>Chaves</p><p>Quando funcionam como chaves (interruptores), uma pequena corrente</p><p>elétrica fluindo através de uma parte de um transistor pode fazer uma</p><p>corrente muito maior fluir por meio de outra parte dele. Em outras</p><p>palavras, uma pequena corrente pode ligar uma corrente maior. É</p><p>essencialmente assim que todos os chips de computadores funcionam.</p><p>Por exemplo, um chip de memória contém centenas de milhões ou</p><p>mesmo bilhões de transistores, cada um dos quais pode ser ligado ou</p><p>desligado individualmente. Como pode estar em dois estados distintos</p><p>(ligado ou desligado), cada transistor armazena dois números diferentes,</p><p>0 e 1. Com bilhões de transistores, um chip pode armazenar bilhões de</p><p>zeros e uns, e quase tantos números e letras comuns (ou caracteres,</p><p>como chamadas).</p><p>Como os transistores são feitos?</p><p>Os transistores são feitos de silício, um elemento químico que, normalmente, não conduz eletricidade (não</p><p>permite que os elétrons fluam facilmente por ele). O silício é um semicondutor, o que significa que não é um</p><p>condutor (permite a passagem da corrente) nem um isolante (que não permite a passagem da corrente).</p><p>Contudo, se for tratado com impurezas (processo conhecido como dopagem), será possível fazer com que o</p><p>silício se comporte de maneiras diferentes, tais como:</p><p>Tipo n</p><p>Quando dopado com elementos químicos, como</p><p>arsênico, fósforo ou antimônio, ganha alguns</p><p>elétrons "livres" extras – capazes de transportar</p><p>uma corrente elétrica –, fazendo com que os</p><p>elétrons fluam através dele mais facilmente.</p><p>Como os elétrons têm carga negativa, é</p><p>chamado de tipo n (tipo negativo).</p><p>Tipo p</p><p>Quando dopado com outras impurezas, como o</p><p>boro, o gálio ou o alumínio, o silício tem menos</p><p>elétrons "livres", então os elétrons em materiais</p><p>próximos tenderão a fluir para ele. A esse tipo</p><p>de silício denomina-se tipo p (tipo positivo).</p><p>O silício tipo n e o tipo p não possuem carga em si. Ambos são eletricamente neutros, embora o silício tipo n</p><p>tenha elétrons "livres" extras, o que aumenta sua condutividade e faz com que o silício tipo p tenha menos</p><p>elétrons livres – isso aumenta sua condutividade de maneira oposta.</p><p>Saiba mais</p><p>Em cada caso, a condutividade extra vem da adição de átomos neutros (sem carga) de impurezas ao</p><p>silício que, originalmente, era neutro como todos os elementos puros e não é capaz de criar cargas</p><p>elétricas sem uma fonte externa.</p><p>Tipos de transistores</p><p>Existem dois tipos de transistores: transistor bipolar de junção (TBJ) e transistor de efeito de campo (FET).</p><p>Veja a seguir:</p><p>Transistor bipolar de junção (TBJ)</p><p>Pode ser dividido em NPN e PNP. Esses dois tipos possuem diferentes</p><p>símbolos para serem identificados nos circuitos, como pode ser visto na</p><p>imagem:</p><p>As letras referem-se às camadas de material semicondutor usado para</p><p>fabricar cada transistor. A maioria dos transistores utilizados na indústria</p><p>é do tipo NPN, tendo em vista a maior facilidade de fabricação desse</p><p>transistor a partir do silício.</p><p>Os terminais de um TBJ são identificados como base (B), coletor (C) e</p><p>emissor (E). Esses termos se referem à operação interna do transistor.</p><p>Os TBJs são dispositivos controlados por corrente, ou seja, uma corrente</p><p>de entrada é capaz de controlar (conduzir ou amplificar) uma corrente na</p><p>saída.</p><p>Transistor de efeito de campo (FET)</p><p>Além dos transistores bipolares de junção, existem transistores de efeito</p><p>de campo que são chamados de FETs. O FET é um dispositivo ativo de</p><p>três terminais que usa um campo elétrico para controlar o fluxo de</p><p>corrente e possui uma alta impedância de entrada que é útil em muitos</p><p>circuitos. Na imagem a seguir, é possível observar os símbolos utilizados</p><p>na identificação de FETs.</p><p>Além do FET, os transistores de efeito de campo englobam os</p><p>transistores de efeito de campo por junção (JFET) e os transistores do</p><p>tipo FET, os de semicondutor de óxido metálico (MOSFET).</p><p>Essa camada de óxido metálico nos MOSFETs ajuda no isolamento</p><p>elétrico da entrada, aumentando sua resistência de entrada e permitindo</p><p>uma redução no consumo de corrente. O MOSFET é bastante utilizado</p><p>em fontes de alimentação.</p><p>Um transistor tipo FET também possui três terminais diferentes: source</p><p>(S), que é análogo ao emissor; dreno (D), análogo ao coletor; e gate (G),</p><p>análogo à base.</p><p>Transistor como amplificador</p><p>Embora alguns transistores controlem o movimento dos elétrons, nem todos funcionam da mesma maneira.</p><p>No TBJ, dois contatos são unidos a dois pedaços de silício do tipo n, formando o emissor e o coletor. De</p><p>maneira similar, um contato é unido a um silício do tipo p, sendo chamado de base, como pode ser visto na</p><p>imagem a seguir:</p><p>Quando não há corrente fluindo no transistor, é possível intuir que o silício tipo p tem poucos elétrons</p><p>(mostrados aqui pelos pequenos sinais de mais, representando cargas positivas), e os dois pedaços de silício</p><p>tipo n têm elétrons extras (mostrados pelo pequeno sinal positivo).</p><p>Em um FET, as camadas de silício tipo n e tipo p são dispostas de maneira ligeiramente diferente do TBJ e,</p><p>quando revestidas com camadas de metal e óxido, produzem o MOSFET.</p><p>Exemplo em configuração de emissor comum</p><p>Um transistor atua como um amplificador permitindo o aumento de um sinal fraco produzido na entrada de um</p><p>circuito transistorizado. O circuito transistorizado deve ser alimentado com uma tensão contínua de</p><p>polarização aplicada em seus terminais (que variam de acordo com a configuração desejada).</p><p>Emissor comum</p><p>Uma célula solar é um dispositivo fotovoltaico capaz de transformar a energia proveniente</p><p>do Sol (energia</p><p>luminosa) em energia elétrica por meio do efeito fotovoltaico.</p><p>Suponha que é desejado medir a intensidade da corrente elétrica produzida por um painel solar (composto por</p><p>diversas células solares interligadas) durante as várias horas do dia. A intensidade da corrente pode variar</p><p>consideravelmente, dependendo das condições de luminosidade, tornando difícil ou até impossível realizar a</p><p>medição com o uso direto de um amperímeto ou multímetro, como pode ser visto na imagem a seguir:</p><p>Uma solução direta para esse problema de medição é o uso de um transistor para amplificar a corrente da</p><p>célula solar, de modo que seja possível realizar a medição com o instrumento até mesmo para menos luz</p><p>incidente sobre o painel.</p><p>Com a utilização de um circuito amplificador, a proposta é que a corrente da célula seja amplificada,</p><p>permitindo a medição inclusive nos momentos em que a luz incidente sobre o painel apresente baixa</p><p>intensidade, como pode ser visto imagem a seguir.</p><p>A corrente através do movimento do medidor nesse circuito será vezes a corrente da célula solar, como</p><p>pode ser visto na relação entre as correntes do coletor e da base na Equação 1:</p><p>Onde o , também chamado de , é o ganho estático do transistor.</p><p>Com um transistor de igual a 100, por exemplo, isso representa um aumento substancial na sensibilidade</p><p>da medição. É prudente salientar que a energia adicional para mover a agulha do medidor vem da fonte de</p><p>alimentação na extremidade direita do circuito, e não da própria célula solar.</p><p>É fácil observar que com esse valor de uma corrente de base de apenas seria</p><p>capaz de promover uma corrente de coletor igual a :</p><p>Tudo o que a corrente da célula solar faz é controlar a corrente da fonte de alimentação para o medidor. Isso</p><p>permite fornecer uma corrente de leitura para o medidor maior do que a célula solar poderia fornecer sem</p><p>amplificação. Como o transistor é um dispositivo regulador de corrente e como as indicações do medidor são</p><p>baseadas na corrente por meio do circuito, a indicação do medidor nesse circuito deve depender</p><p>proporcionalmente da corrente da célula solar, e não da tensão fornecida pela fonte.</p><p>Outras configurações como coletor comum e base comum também podem ser utilizadas com propósitos</p><p>específicos, permitindo a amplificação dos sinais provenientes da base do transistor.</p><p>A corrente de emissor é definida como a soma entre as correntes de coletor e da base, como pode ser visto</p><p>na Equação 2.</p><p>Transistor como chave</p><p>Quando um transistor é usado como chave, ele opera apenas em duas condições:</p><p>Ligado Desligado</p><p>Não deve operar como amplificador e nunca estar "parcialmente" ligado (o que pode acontecer quando o</p><p>circuito for mal dimensionado), podendo superaquecer e ser destruído. No estado ligado, a tensão entre o</p><p>coletor e o emissor através do transistor é quase zero e o transistor é dito saturado porque não é</p><p>possível passar mais corrente através do coletor do que já está passando.</p><p>Nessa condição, toda a corrente disponível pela fonte é entregue ao dispositivo ligado ao coletor do transistor</p><p>que é chamado de carga. Ao escolher um transistor para usar como chave, deve-se considerar sua corrente</p><p>máxima de coletor e seu ganho mínimo de corrente .</p><p>Exemplo de circuito</p><p>Suponha um diodo emissor de luz (LED) que se deseja ligar e desligar com um interruptor. O projeto de um</p><p>circuito para essa finalidade é bastante simples, como pode ser visto na imagem a seguir.</p><p>1</p><p>2</p><p>O resistor é utilizado para limitar a corrente e a tensão sobre o diodo LED. Sendo assim, caso uma fonte de</p><p>seja utilizada na alimentação de um diodo vermelho, cujas especificações são tensão de alimentação</p><p>igual a e corrente de alimentação igual a , uma resistência deverá ser utilizada para polarizar o</p><p>diodo LED com a alimentação adequada, como pode ser visto na equação a seguir:</p><p>Assim, um resistor de deverá ser utilizado para polarizar adequadamente o diodo LED.</p><p>Comentário</p><p>Seria possível inserir um transistor no lugar do interruptor para controlar o fluxo de corrente através do</p><p>LED, na medida em que é possível controlar a corrente entre o coletor e o emissor de um transistor.</p><p>Como é a corrente através do LED que se deseja controlar, deve-se posicionar o coletor e o emissor do</p><p>transistor onde estavam os dois contatos da chave, como pode ser visto na imagem:</p><p>Também devemos ter certeza de que a corrente do LED fluirá na direção do símbolo da seta do emissor para</p><p>garantir que a polarização da junção do transistor esteja correta, como na imagem anterior.</p><p>No exemplo, foi selecionado um transistor NPN. Entretanto, um transistor PNP também poderia ter sido</p><p>escolhido, bastando para isso inverter a polarização da fonte de alimentação.</p><p>Atenção</p><p>A escolha entre NPN e PNP é arbitrária, sendo que ambos os transistores possuem as mesmas</p><p>características. Por esse motivo, é fundamental observar que as direções corretas das correntes sejam</p><p>mantidas de acordo com a polarização correta da junção (fluxo da corrente seguindo a seta do símbolo</p><p>do transistor).</p><p>Na imagem, a base do TBJ não está conectada a uma tensão adequada e, consequentemente, nenhuma</p><p>corrente estará fluindo através da base. De acordo com o funcionamento dos transistores, essa ausência de</p><p>corrente não permitirá ligar o transistor e, consequentemente, nenhuma corrente fluirá entre o emissor e o</p><p>coletor do transistor.</p><p>Para que o transistor possa ser ligado, é necessário permitir que uma corrente flua através da base do</p><p>transistor. Isso é possível conectando-se uma chave entre a base e o coletor do transistor, como nas imagens</p><p>a seguir:</p><p>Polarização de corte</p><p>Quando a chave estiver aberta, o fio base do</p><p>transistor não estará conectado a nada e não</p><p>haverá corrente através dele. Nesse caso, diz-</p><p>se que o transistor está cortado (polarização de</p><p>corte) (sem corrente fluindo entre o emissor e o</p><p>coletor).</p><p>Polarização de saturação</p><p>Quando a chave for fechada, uma corrente</p><p>poderá fluir da fonte para a base do transistor</p><p>através da chave. Essa corrente de base</p><p>permitirá um fluxo de corrente muito maior</p><p>entre o coletor e o emissor, acendendo o LED.</p><p>Nesse estado de corrente máxima do circuito,</p><p>diz-se que o transistor está saturado</p><p>(polarização de saturação).</p><p>É importante destacar que um resistor precisa ser conectado entre a fonte e a base. Isso é necessário tendo</p><p>em vista que a corrente de base é pequena (muito menor que as correntes de emissor e coletor), e o resistor</p><p>permite que essa limitação na corrente da base seja imposta.</p><p>Aplicações dos transistores</p><p>Os transistores são usados no dia a dia em diversos equipamentos eletroeletrônicos, como amplificadores e</p><p>aparelhos de comutação (chaveamento).</p><p>Como amplificadores, eles estão sendo utilizados em osciladores, moduladores, detectores e praticamente em</p><p>qualquer circuito para desempenhar uma função.</p><p>Em um circuito digital, os transistores são usados principalmente como interruptores.</p><p>De acordo com várias funcionalidades, existem transistores de diferentes tipos, como para funcionar em</p><p>baixas e altas frequências, e de baixa, média e alta potências.</p><p>Transistor com circuitos integrados</p><p>A maioria dos circuitos integrados (CIs) não é capaz de fornecer grandes correntes de saída (nos circuitos em</p><p>geral, as correntes são de poucos – miliampères). Portanto, pode ser necessário usar um transistor para</p><p>permitir que uma corrente maior, necessária para dispositivos como lâmpadas, motores e relés, seja</p><p>disponibilizada, como pode ser visto na imagem:</p><p>Um resistor de base limita a corrente que flui para a base do transistor a fim de evitar que seja danificado,</p><p>também deve permitir que o fluxo de corrente de base seja suficiente para garantir que o transistor esteja</p><p>totalmente saturado quando ligado.</p><p>Um transistor que não está totalmente saturado quando ligado poderá superaquecer e se danificar,</p><p>especialmente se o transistor estiver comutando uma corrente grande (maior do que 100mA).</p><p>A determinação do valor do resistor é feita pela lei das tensões de um circuito:</p><p>Se a fonte tiver uma tensão de ,</p><p>a tensão entre coletor e emissor típica for igual a e a tensão</p><p>na carga for igual a , teremos:</p><p>Onde é a tensão entre o coletor e o emissor do transistor.</p><p>Cabe destacar que, em casos de dispositivos que demandem correntes acima do máximo permitido pelo</p><p>transistor, um relé ou outro dispositivo que permita uma intensidade maior de corrente deverá ser utilizado.</p><p>Transistor com sensores</p><p>A imagem a seguir mostra como conectar um sensor de luz (LDR) a um transistor para fazer um “interruptor de</p><p>circuito sensível à luz” para acionar um LED. Nesse exemplo, quando a luminosidade sobre o LDR for baixa, o</p><p>LED deverá acender. O resistor variável ajusta a sensibilidade do sensor.</p><p>O par Darlington</p><p>Um par Darlington consiste em um circuito em que dois transistores são conectados juntos de modo que a</p><p>corrente amplificada pelo primeiro seja amplificada ainda mais pelo segundo transistor, como pode ser visto</p><p>na imagem a seguir:</p><p>O par se comporta como um único transistor com um ganho de corrente muito alto, de modo que apenas uma</p><p>pequena corrente de base é necessária para ligar o par.</p><p>O ganho de corrente do par Darlington é igual aos dois ganhos individuais e</p><p>multiplicados juntos, como pode ser visto na Equação 3 :</p><p>Isso dá ao par um ganho de corrente muito alto, por exemplo, 10.000x.</p><p>Os pares Darlington estão comercialmente disponíveis como um pacote de transistor Darlington com três</p><p>terminais (B, C e E) equivalentes aos de um transistor-padrão, sendo possível também fazer um par Darlington</p><p>a partir de dois transistores comuns.</p><p>Vem que eu te explico!</p><p>Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.</p><p>Eq 3</p><p>Tipos de transistores</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>O transistor como amplificador</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>O transistor como chave</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>Questão 1</p><p>Suponha um transistor TBJ. Considerando-se suas correntes de base e de coletor</p><p>, é possível determinar que o seu ganho e a corrente de emissor são iguais a:</p><p>A e</p><p>B e</p><p>C e</p><p>D e</p><p>E e</p><p>A alternativa D está correta.</p><p>Questão 2</p><p>Um circuito integrado será utilizado para acionar um transistor. O circuito será usado para ligar e desligar uma</p><p>carga que possui tensão de alimentação de e de corrente. Para isso, será utilizada uma fonte</p><p>com . Determine o resistor de limitação necessário para a energização dessa carga, sabendo que a</p><p>tensão entre o coletor e o emissor do transistor é igual a .</p><p>A</p><p>B</p><p>C</p><p>D</p><p>E</p><p>A alternativa A está correta.</p><p>2. Circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos</p><p>Vamos começar!</p><p>O chaveamento de circuitos elétricos através de controladores digitais</p><p>Assista ao vídeo e conheça os principais conceitos e aspectos sobre o chaveamento de circuitos elétricos</p><p>através de controladores digitais.</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Circuitos integrados</p><p>Um circuito integrado (integrated circuit – CI) é, por vezes, chamado de chip, microchip ou circuito</p><p>microeletrônico. Basicamente consiste em uma pastilha semicondutora na qual são fabricados milhares ou</p><p>milhões de minúsculos componentes eletrônicos, tais como:</p><p>Transistores Resistores</p><p>Capacitores Diodos</p><p>Um CI pode ser projetado ou configurado para funcionar como:</p><p>Processador de computador</p><p>Exemplo de portas lógicas</p><p>amplificador;</p><p>oscilador;</p><p>temporizador;</p><p>contador;</p><p>porta lógica;</p><p>memória de computador;</p><p>microcontrolador;</p><p>microprocessador.</p><p>Um CI consiste no bloco de construção fundamental de todos os dispositivos eletrônicos modernos. Por</p><p>exemplo, a parte mais importante de um computador (sua CPU ou unidade central de processamento) é um</p><p>CI. Como o nome sugere, é um sistema integrado de vários componentes miniaturizados e interconectados</p><p>embutidos em um substrato fino de material semicondutor (geralmente cristal de silício). Um exemplo de uma</p><p>placa-mãe de um computador com os circuitos integrados pode ser visto na imagem:</p><p>Componentes adicionais também podem residir no CI, todos interconectados por meio de uma rede complexa</p><p>de pastilhas semicondutoras, silício, cobre e outros materiais. Em termos de tamanho, cada componente é</p><p>pequeno, geralmente microscópico. O circuito resultante, um chip monolítico, também é minúsculo – muitas</p><p>vezes apenas o suficiente para ocupar alguns milímetros quadrados ou centímetros de espaço.</p><p>Como já citado, um exemplo comum de um CI</p><p>moderno é o processador do computador, que</p><p>normalmente contém milhões ou bilhões de</p><p>transistores, capacitores, portas lógicas etc.,</p><p>conectados entre si para formar um circuito</p><p>digital complexo. Embora o processador seja</p><p>um CI, nem todos os CIs são processadores.</p><p>Entre os circuitos integrados mais conhecidos e</p><p>utilizados comercialmente, estão os de lógica</p><p>transistor a transistor (TTL ou T2L),</p><p>introduzidos no final da década de 1960. A</p><p>lógica TTL cresceu rapidamente para ser o tipo</p><p>mais utilizado entre os circuitos integrados</p><p>digitais. Muitas melhorias e variações foram adicionadas desde a sua primeira versão. Nos dias atuais, a TTL</p><p>continua sendo uma escolha popular entre os circuitos integrados.</p><p>Lógica TTL</p><p>O TTL é mais bem representado pela série SN 54/74 de circuitos integrados digitais.</p><p>A Texas Instruments Corporation desenvolveu originalmente essa série de CIs lógicos, mas várias empresas os</p><p>fabricam e usam o mesmo sistema de numeração.</p><p>A série SN 54 (SN significa rede de semicondutores ou</p><p>semiconductors network) é mais cara e projetada para</p><p>maior faixa de temperatura do que a série SN 74. Os</p><p>dispositivos SN 54 operam em uma faixa de temperaturas</p><p>de -55 a +125°C, enquanto os dispositivos SN 74 operam</p><p>em uma faixa de 0 a 70°C.</p><p>Os CIs TTL operam com uma tensão de alimentação de 5</p><p>volts e requerem uma fonte de alimentação de 5 volts bem</p><p>regulada.</p><p>Portas lógicas</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>•</p><p>As portas lógicas digitais podem ter mais de uma entrada, por exemplo, entradas A, B, C, D etc., mas</p><p>geralmente têm apenas uma saída digital (Q), como observado na figura a seguir:</p><p>Portas lógicas podem ser conectadas de maneira individual ou em cascata para formar uma função de porta</p><p>lógica com qualquer número desejado de entradas, para formar circuitos do tipo combinacional e sequencial</p><p>ou para produzir funções de porta lógica diferentes das portas-padrão (essenciais).</p><p>As portas lógicas digitais padronizadas comercialmente estão disponíveis em duas famílias básicas:</p><p>TTL (Transistor–transistor logic)</p><p>Como a série 7400.</p><p>CMOS (Complementary metal-oxide-</p><p>silicon)</p><p>Como a série 4000 de chips.</p><p>Essa notação de TTL ou CMOS refere-se à tecnologia lógica usada para fabricar o CI. De modo geral, os CIs</p><p>lógicos TTL usam transistores bipolares de junção do tipo NPN e PNP, enquanto os CIs lógicos CMOS usam</p><p>transistores de efeito de campo do tipo semicondutor de óxido metálico (MOSFET) ou transistores de efeito</p><p>de campo por junção (JFET) complementares para seus circuitos de entrada e saída.</p><p>O uso de transistores para a construção de portas lógicas depende de sua funcionalidade como chaves</p><p>rápidas. Como já falado, quando a junção base-emissor é ligada o suficiente para ser levada à saturação, a</p><p>tensão do coletor em relação ao emissor pode ser próxima de zero e usada para construir portas para a família</p><p>lógica TTL.</p><p>Porta E (AND)</p><p>Para a lógica E, os transistores estão em série e ambos devem permanecer no estado de condução para que a</p><p>saída seja ligada (colocada em nível lógico alto), como pode ser visto na imagem a seguir:</p><p>Porta OU (OR)</p><p>Para a lógica OU, os transistores estão em paralelo e a saída é levada ao nível lógico alto (ligada) se qualquer</p><p>um dos transistores estiver conduzindo, como pode ser visto na imagem a seguir:</p><p>Portas NÃO E (NAND)</p><p>Para a lógica NAND, os transistores estão em série, mas a saída está acima deles. A saída é alta, a menos que</p><p>ambas as entradas A e B sejam altas – nesse caso, a saída é reduzida perto do potencial de terra</p><p>(desligada</p><p>ou colocada em nível lógico baixo), como pode ser visto na imagem a seguir:</p><p>Portas NÃO OU (NOR)</p><p>A porta lógica NÃO OU pode ser montada em circuitos com um ou dois transistores.</p><p>Na alternativa com apenas um transistor, as duas entradas são ligadas à sua base por meio de resistores. Se</p><p>uma ou ambas as entradas forem altas (ligadas), a saída será baixa (desligada), como pode ser visto na</p><p>imagem a seguir:</p><p>Para a lógica NOR com dois transistores, eles estão em paralelo com a saída acima, de modo que, se uma ou</p><p>ambas as entradas estiverem altas (ligadas), a saída será baixa (desligada), como pode ser visto na imagem a</p><p>seguir:</p><p>Estados lógicos digitais</p><p>Como visto, uma porta lógica digital é um bloco de construção básico a partir do qual todos os circuitos</p><p>eletrônicos digitais e sistemas baseados em microprocessadores são construídos.</p><p>Essas portas lógicas digitais básicas realizam operações lógicas de E, OU e NÃO, em:</p><p>Números binários</p><p>(0 ou 1)</p><p>Níveis lógicos</p><p>(Alto ou baixo)</p><p>Isso é possível tendo em vista que apenas dois níveis ou estados de tensão são permitidos em circuitos</p><p>digitais, e esses estados são geralmente referidos como Lógico “1” e Lógico “0”, ou ALTO e BAIXO, ou</p><p>VERDADEIRO e FALSO.</p><p>Esses dois estados são representados na álgebra booleana e nas tabelas-verdade pelos dígitos binários de “1”</p><p>e “0”, respectivamente.</p><p>Um exemplo de estado digital pode ser visto em um simples interruptor de luz. O interruptor pode estar</p><p>“ligado” ou “desligado”, um estado ou outro, mas não ambos ao mesmo tempo, conforme a figura a seguir.</p><p>Classificações de circuitos integrados</p><p>Os circuitos integrados podem ser classificados de acordo com seu “porte”, ou seja, com a quantidade de</p><p>transistores utilizados em sua formação de acordo com as categorias a seguir:</p><p>Integração de Pequena Escala (SSI)</p><p>Contém até 10 transistores ou algumas portas em um único pacote, como portas AND, OR, NOT.</p><p>Integração de Média Escala (MSI)</p><p>Contém entre 10 e 100 transistores ou dezenas de portas dentro de um único pacote e realiza</p><p>operações digitais como somadores, decodificadores, contadores, flip-flops e multiplexadores.</p><p>Integração em Grande Escala ou (LSI)</p><p>Contém entre 100 e 1.000 transistores ou centenas de portas e realiza operações digitais específicas,</p><p>como chips de E/S, memória, unidades aritméticas e lógicas.</p><p>Very-Large Scale Integration (VLSI)</p><p>Contém entre 1.000 e 10.000 transistores ou milhares de portas e realiza operações computacionais</p><p>como processadores, grandes arrays de memória e dispositivos lógicos programáveis.</p><p>Super-Large Scale Integration (SLSI)</p><p>Contém entre 10.000 e 100.000 transistores dentro de um único pacote e realiza operações</p><p>computacionais como chips microprocessadores, microcontroladores, PICs (Programmable Interface</p><p>Controller - Controlador de Interface Programável) básicos e calculadoras.</p><p>Ultra-Large Scale Integration (ULSI)</p><p>Contém mais de 1 milhão de transistores – os big boys que são usados em CPUs de computadores,</p><p>GPUs, processadores de vídeo, microcontroladores, FPGAs (field-programmable gate array - matriz</p><p>de portas programáveis) e PICs complexos.</p><p>Acopladores ópticos</p><p>Os acopladores ópticos podem ser descritos por diferentes terminologias, incluindo isolador óptico e</p><p>fotoacoplador.</p><p>Essencialmente, um acoplador óptico ou fotoacoplador é um dispositivo semicondutor que usa um sinal óptico</p><p>para acoplar um sinal de um circuito elétrico a outro enquanto fornece isolamento elétrico entre eles.</p><p>Os fotoacopladores ou acopladores ópticos geralmente estão contidos em um único circuito integrado,</p><p>embora haja um grande grau de variação de acordo com a aplicação pretendida.</p><p>Exemplo</p><p>É possível realizar um acoplamento óptico entre dois circuitos fazendo com que um deles tenha</p><p>condições de emitir um sinal luminoso e o outro circuito possua um ou mais sensores que sejam</p><p>sensibilizados por luz.</p><p>São utilizados em muitas funções, como para estabelecer um tipo de “vínculo” entre os dados de dois circuitos</p><p>e podem ser usados em codificadores ópticos, cujo acoplador óptico fornece um meio de detectar transições</p><p>de borda visíveis em uma roda de codificador para detectar posição e em diversos circuitos onde são</p><p>necessários links ópticos e transições, mas onde a interação direta entre os circuitos não seja permitida ou</p><p>desejável. Por exemplo, em aplicações onde circuitos que apresentam níveis de tensão muito diferentes ou</p><p>grandezas de naturezas distintas.</p><p>Eles ainda formam o elemento essencial em relés de estado sólido, que são dispositivos eletrônicos que</p><p>utilizam semicondutores para operação sem contato físico entre seus terminais.</p><p>Os relés de estado sólido não são muito diferentes em operação dos relés de contato (relés</p><p>eletromagnéticos). Um acoplamento óptico é usado para isolar eletricamente a entrada e a saída, enquanto</p><p>permite que a saída seja comutada (ligada ou desligada) de acordo com o estado de entrada, como pode ser</p><p>visto na imagem a seguir:</p><p>Estrutura básica</p><p>O acoplador óptico é um componente que contém dois elementos necessários para um isolamento óptico,</p><p>como veremos a seguir.</p><p>Um emissor de luz</p><p>O emissor de luz está no lado de entrada. Ele recebe o sinal de entrada e o converte em um sinal</p><p>luminoso. Normalmente, o emissor de luz é um diodo emissor de luz (LED).</p><p>Um detector de luz</p><p>O detector de luz dentro do acoplador óptico ou isolador óptico detecta a luz do emissor e a converte</p><p>de volta em um sinal elétrico. O detector de luz pode ser qualquer um dos vários tipos diferentes de</p><p>dispositivos, tais como um fotodiodo, um fototransistor, um foto-Darlington, entre outros.</p><p>O emissor de luz e o detector são especificados para serem capazes de interagir um com o outro, tendo</p><p>comprimentos de onda correspondentes para que o acoplamento máximo seja alcançado.</p><p>O acoplador óptico também pode conter outros circuitos, por exemplo, pode incluir um resistor em série com o</p><p>LED para limitação de corrente, permitindo o acionamento seguro do diodo. Também pode incluir um</p><p>amplificador de saída para aumentar o sinal produzido.</p><p>Embora um acoplador óptico ou isolador óptico seja geralmente pensado como um único pacote integrado, é</p><p>possível obter o mesmo resultado usando dispositivos separados. No entanto, os arranjos mecânicos</p><p>precisam ser cuidadosamente especificados quando circuitos separados são considerados. Isso geralmente</p><p>torna um acoplador óptico feito de dispositivos separados menos conveniente, embora possa haver a</p><p>necessidade de utilização de componentes separados em algumas aplicações.</p><p>Terminologia</p><p>Os termos fotoacoplador, acoplador óptico e isolador óptico são frequentemente usados de forma</p><p>intercambiável na literatura eletrônica e técnica quando se referem a componentes que realizam a mesma</p><p>função.</p><p>A rigor, existem diferenças entre os termos isolador óptico e acoplador óptico. O fator de distinção entre eles</p><p>está na diferença de tensão esperada entre a entrada e a saída:</p><p>O símbolo do acoplador óptico usado nos diagramas para representação de circuitos elétricos indica a função</p><p>e os elementos internos dentro do componente de maneira geral. O símbolo mostra um LED, normalmente</p><p>usado como emissor de luz, um receptor, geralmente um fototransistor ou foto-Darlington, embora outros</p><p>dispositivos, incluindo diodo de corrente alternada (DIACs) sensível à luz, entre outros, também possam ser</p><p>utilizados. O tipo de dispositivo a ser considerado é mostrado dentro do símbolo do acoplador óptico.</p><p>Comentário</p><p>Entre as configurações de acopladores ópticos bastante utilizadas em aplicações de alimentação em</p><p>corrente alternada, estão os acopladores ópticos baseados no acionamento de DIACs ou para</p><p>acionamento de triodo de corrente alternada (TRIACs) em aplicações de comutação de rede elétrica ou</p><p>controle de ângulo de comutação.</p><p>Para os acopladores ópticos usados para tensões mais baixas, uma variedade de configurações está</p><p>disponível. Frequentemente, os acopladores ópticos vêm em pequenos encapsulamentos, conhecidos como:</p><p>Isolador óptico</p><p>É geralmente usado em sistemas de energia</p><p>e usado para transmitir informações</p><p>analógicas ou digitais entre circuitos nos</p><p>quais a diferença de potencial é superior a</p><p>5.000 volts.</p><p>Acoplador óptico</p><p>É geralmente considerado para</p><p>transmitir sinais analógicos de</p><p>informação digital entre circuitos,</p><p>mantendo o isolamento elétrico em</p><p>potenciais de até 5.000 volts.</p><p>Dual-in-line (DIL)</p><p>Para componentes de montagem</p><p>convencionais.</p><p>Small outline integrated circuit (SOIC)</p><p>Versões SMD. Fornecem opções mais</p><p>compactas para os acopladores ópticos.</p><p>Para os encapsulamentos SOIC, deve-se ter a certeza de que todos os requisitos de isolamento sejam</p><p>adequadamente atendidos.</p><p>Para isoladores ópticos operando em tensões muito mais altas, diferentes encapsulamentos estão disponíveis.</p><p>Isoladores ópticos em formatos retangulares, cilíndricos e em configurações especiais também estão</p><p>disponíveis. Esses tipos de encapsulamento são projetados para fornecer tensões de isolamento mais altas do</p><p>que as que podem ser alcançadas com pacotes do tipo DIL e surface mounted device (SMD), como o SOIC.</p><p>Especificações</p><p>Existem vários parâmetros e especificações que precisam ser levados em consideração na utilização de</p><p>acopladores ópticos e isoladores ópticos:</p><p>Taxa de transferência real (CTR)</p><p>É uma das principais especificações. É a razão entre a corrente que flui no dispositivo de saída</p><p>dividida pela corrente no dispositivo de entrada. O CTR varia de acordo com o tipo de dispositivo</p><p>utilizado na saída do acoplador óptico. Aqueles que utilizam foto-Darlingtons serão muito maiores do</p><p>que aqueles que utilizam fototransistores comuns, tendo em vista que as correntes de saída tendem a</p><p>ser superiores. Deve-se notar que o CTR costuma variar com o nível de corrente de entrada. Embora</p><p>varie de acordo com o dispositivo, para acopladores ópticos manuais, o pico para níveis de corrente</p><p>de entrada gira em torno de 10mA.</p><p>Largura de banda</p><p>Para ser capaz de representar o espectro de taxas de dados que podem ser processadas através de</p><p>um acoplador óptico, é necessário conhecer a largura de banda. Para muitos acopladores ópticos que</p><p>usam fototransistores, essa banda pode compreender a região de 250kHz, e para aqueles que usam</p><p>foto-Darlingtons, pode ser um décimo desse valor. Alguns acopladores ópticos muito mais rápidos</p><p>estão disponíveis. Normalmente, quanto menor o CTR, mais rápidos os tempos de subida e descida.</p><p>Corrente de entrada</p><p>Esta é a corrente necessária para estimular o dispositivo transmissor de entrada, por exemplo, o</p><p>diodo LED. O valor é usado para calcular o resistor em série utilizado para limitar a corrente.</p><p>Tensão máxima do dispositivo de saída</p><p>Para acopladores ópticos que utilizam transistores, o valor máximo será igual à tensão entre o coletor</p><p>01 D</p><p>449</p><p>01 D</p><p>43 6</p><p>01 D</p><p>43 8e o emissor (max) do transistor. Para acopladores ópticos usando outros dispositivos na saída,</p><p>uma análise equivalente deve ser empregada. Vale lembrar que é importante considerar uma margem</p><p>de segurança adequada, pois não é recomendável operar os dispositivos perto de suas</p><p>especificações máximas. Por exemplo, em alguns casos, utilizam-se margens de segurança que giram</p><p>em torno de 10% do valor máximo que o dispositivo é capaz de suportar, ou seja, para um dispositivo</p><p>que possa tolerar uma tensão de 20V em sua saída, cargas com até no máximo 18V podem ser</p><p>acionadas.</p><p>Vem que eu te explico!</p><p>Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.</p><p>A eletrônica moderna e os circuitos integrados</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A importância das portas lógicas na eletrônica digital</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>A importância dos acopladores ópticos</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para assistir ao vídeo.</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>Questão 1</p><p>As portas lógicas são componentes da eletrônica digital e fundamentais para o desenvolvimento de uma</p><p>ampla variedade de circuitos combinacionais e sequenciais. A porta lógica formada por dois transistores e</p><p>cuja saída é ligada quando as duas entradas dos transistores estão em nível lógico alto é denominada:</p><p>A Porta E.</p><p>B Porta OU.</p><p>C Porta NÃO E.</p><p>D Porta NÃO OU.</p><p>E Porta NOR.</p><p>A alternativa A está correta.</p><p>A porta lógica E é construída com dois transistores em série e, para que a saída seja ligada, ambos os</p><p>transistores devem ser colocados em estado de condução, ou seja, as duas entradas devem ser colocadas</p><p>em nível lógico alto.</p><p>Questão 2</p><p>Um acoplador óptico é um dispositivo eletrônico que permite acoplar dois circuitos mantendo o isolamento</p><p>elétrico entre eles. Entre os componentes de um acoplador óptico, aquele que recebe um sinal de entrada e o</p><p>converte em um sinal luminoso é denominado:</p><p>A TRIAC.</p><p>B Emissor de luz.</p><p>C Detector de luz.</p><p>D DIAC.</p><p>E Fototransistor.</p><p>A alternativa B está correta.</p><p>O emissor de luz é a parte do acoplador óptico que recebe um sinal de entrada e o converte em sinal</p><p>luminoso, estimulando um dispositivo detector, geralmente um LED.</p><p>3. Conclusão</p><p>Considerações finais</p><p>Este conteúdo teve como foco o chaveamento de circuitos eletroeletrônicos e suas aplicações em circuitos</p><p>elétricos.</p><p>Na primeira parte, foram apresentados os circuitos de chaveamento baseados em transistores. Foram</p><p>discutidos os tipos de transistores e seu processo de construção. Vimos o conceito de dopagem de material e</p><p>as múltiplas camadas. Um exemplo de transistor na configuração emissor comum foi discutido e apresentado</p><p>em detalhes. O uso de transistores com circuitos integrados, sensores e o uso dos transistores em par</p><p>Darlington também foram apresentados.</p><p>Na segunda parte, vimos, ainda, os conceitos de circuitos integrados e os processos de fabricação dos CIs. O</p><p>conceito de portas lógicas, suas diversas configurações e os estados lógicos digitais foram apresentados. Por</p><p>fim, estudamos a estrutura básica dos acopladores, suas terminologias e especificações.</p><p>Podcast</p><p>Para encerrar, ouça o resumo dos principais tópicos abordados.</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Acesse a versão digital para ouvir o áudio.</p><p>Explore +</p><p>Diversos simuladores de portas lógicas são disponibilizados por desenvolvedores e permitem conhecer</p><p>melhor e visualizar o funcionamento das portas lógicas.</p><p>O EasySim está disponível de forma gratuita, incluindo diversas funcionalidades como as portas lógicas</p><p>simples e os circuitos digitais mais complexos.</p><p>O simulador on-line Falstad permite visualizar o funcionamento de circuitos transistorizados e de portas</p><p>lógicas, além da visualização dos sinais e dos valores lógicos de um circuito.</p><p>Referências</p><p>BANSAL, M. et al. Phototransistor: the story so far. Journal of Electronics, v. 2, n. 4, p. 202-210, 2020.</p><p>BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos. [s.l.]: Prentice Hall, 2013.</p><p>HODGES, D. A. Darlington's contributions to transistor circuit design. IEEE Transactions on Circuits and</p><p>Systems I: Fundamental Theory and Applications, v. 46, n. 1, p. 102-104, 1999.</p><p>POMILIO, J. A. Fontes chaveadas. Publicaçao FEEC, v. 13, p. 95, 2008.</p><p>SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. [s.l.]: Pearson Prentice Hall, 2007.</p><p>TOCCI, R. J.; WIDMER, N. S. Sistemas digitais. 8. ed. [s.l.]: [s.n.], 2003.</p><p>TEIXEIRA, H. T.; TAVARES, M. F.; PEREIRA, R. V. M. Sistemas digitais. [s.l.]: [s.n.], 2017.</p><p>Circuitos de chaveamento</p><p>1. Itens iniciais</p><p>Propósito</p><p>Objetivos</p><p>Introdução</p><p>Conteúdo interativo</p><p>1. Circuitos transistorizados em chaveamento elétrico</p><p>Vamos começar!</p><p>Os circuitos transistorizados e a eletrônica industrial</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Transistores</p><p>Amplificadores</p><p>Chaves</p><p>Como os transistores são feitos?</p><p>Tipo n</p><p>Tipo p</p><p>Saiba mais</p><p>Tipos de transistores</p><p>Transistor bipolar de junção (TBJ)</p><p>Transistor de efeito de campo (FET)</p><p>Transistor como amplificador</p><p>Exemplo em configuração de emissor comum</p><p>Emissor comum</p><p>Transistor como chave</p><p>Ligado</p><p>Desligado</p><p>Exemplo de circuito</p><p>Comentário</p><p>Atenção</p><p>Polarização de corte</p><p>Polarização de saturação</p><p>Aplicações dos transistores</p><p>Transistor com</p><p>circuitos integrados</p><p>Transistor com sensores</p><p>O par Darlington</p><p>Vem que eu te explico!</p><p>Tipos de transistores</p><p>Conteúdo interativo</p><p>O transistor como amplificador</p><p>Conteúdo interativo</p><p>O transistor como chave</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>Questão 2</p><p>2. Circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos</p><p>Vamos começar!</p><p>O chaveamento de circuitos elétricos através de controladores digitais</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Circuitos integrados</p><p>Transistores</p><p>Resistores</p><p>Capacitores</p><p>Diodos</p><p>Lógica TTL</p><p>Portas lógicas</p><p>TTL (Transistor–transistor logic)</p><p>CMOS (Complementary metal-oxide-silicon)</p><p>Porta E (AND)</p><p>Porta OU (OR)</p><p>Portas NÃO E (NAND)</p><p>Portas NÃO OU (NOR)</p><p>Estados lógicos digitais</p><p>Números binários</p><p>Níveis lógicos</p><p>Classificações de circuitos integrados</p><p>Integração de Pequena Escala (SSI)</p><p>Integração de Média Escala (MSI)</p><p>Integração em Grande Escala ou (LSI)</p><p>Very-Large Scale Integration (VLSI)</p><p>Super-Large Scale Integration (SLSI)</p><p>Ultra-Large Scale Integration (ULSI)</p><p>Acopladores ópticos</p><p>Exemplo</p><p>Estrutura básica</p><p>Um emissor de luz</p><p>Um detector de luz</p><p>Terminologia</p><p>Comentário</p><p>Dual-in-line (DIL)</p><p>Small outline integrated circuit (SOIC)</p><p>Especificações</p><p>Taxa de transferência real (CTR)</p><p>Largura de banda</p><p>Corrente de entrada</p><p>Tensão máxima do dispositivo de saída</p><p>Vem que eu te explico!</p><p>A eletrônica moderna e os circuitos integrados</p><p>Conteúdo interativo</p><p>A importância das portas lógicas na eletrônica digital</p><p>Conteúdo interativo</p><p>A importância dos acopladores ópticos</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Verificando o aprendizado</p><p>3. Conclusão</p><p>Considerações finais</p><p>Podcast</p><p>Conteúdo interativo</p><p>Explore +</p><p>Referências</p>