Tema 1 - Circuitos de Chaveamento

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Circuitos de chaveamento
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.
Prof. Raphael de Souza dos Santos
1. Itens iniciais
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
Descrever a aplicação de circuitos transistorizados no chaveamento de circuitos elétricos.
Descrever a aplicação de circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos.
Introdução
Conteúdo interativo
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1. Circuitos transistorizados em chaveamento elétrico
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.
Conteúdo interativo
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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:
Amplificadores
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.
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).
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:
Transistor bipolar de junção (TBJ)
Pode ser dividido em NPN e PNP. Esses dois tipos possuem diferentes
símbolos para serem identificados nos circuitos, como pode ser visto na
imagem:
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.
Transistor de efeito de campo (FET)
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.
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 como amplificador
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 configuração de 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 dispositivofotovoltaico 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:
Onde o , também chamado de , é o ganho estático do transistor.
1
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 :
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.
Transistor como chave
Quando um transistor é usado como chave, ele opera apenas em duas condições: 
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.
2
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:
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
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:
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 fluxode 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:
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:
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.
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 : 
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.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
Eq 3
Tipos de transistores
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O transistor como amplificador
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O transistor como chave
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Verificando o aprendizado
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:
A
 e 
B
 e 
C
 e 
D
 e 
E
 e 
A alternativa D está correta.
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 .
A
B
C
D
E
A alternativa A está correta.
2. Circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos
Vamos começar!
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.
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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: 
Processador de computador
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.
 
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.
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Exemplo de portas lógicas
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. 
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
geralmente têm 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 sériee 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
Classificações 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 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.
Um emissor de luz
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).
Um detector de luz
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 detector são 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
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: 
O símbolo do acoplador óptico usado nos diagramas para representação de circuitos elétricos indica a função
e os elementos internos dentro do componentede 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.
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.
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.
Especificações
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 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
01 D
449
01 D
43 6
01 D
43 8e o emissor (max) 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.
Vem que eu te explico!
Os vídeos a seguir abordam os assuntos mais relevantes do conteúdo que você acabou de estudar.
A eletrônica moderna e os circuitos integrados
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A importância das portas lógicas na eletrônica digital
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A importância dos acopladores ópticos
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Verificando o aprendizado
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:
A
Porta E.
B
Porta OU.
C
Porta NÃO E.
D
Porta NÃO OU.
E
Porta NOR.
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
TRIAC.
B
Emissor de luz.
C
Detector de luz.
D
DIAC.
E
Fototransistor.
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.
3. Conclusão
Considerações finais
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.
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. 
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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.
	Circuitos de chaveamento
	1. Itens iniciais
	Propósito
	Objetivos
	Introdução
	Conteúdo interativo
	1. Circuitos transistorizados em chaveamento elétrico
	Vamos começar!
	Os circuitos transistorizados e a eletrônica industrial
	Conteúdo interativo
	Transistores
	Amplificadores
	Chaves
	Como os transistores são feitos?
	Tipo n
	Tipo p
	Saiba mais
	Tipos de transistores
	Transistor bipolar de junção (TBJ)
	Transistor de efeito de campo (FET)
	Transistor como amplificador
	Exemplo em configuração de emissor comum
	Emissor comum
	Transistor como chave
	Ligado
	Desligado
	Exemplo de circuito
	Comentário
	Atenção
	Polarização de corte
	Polarização de saturação
	Aplicações dos transistores
	Transistor com circuitos integrados
	Transistor com sensores
	O par Darlington
	Vem que eu te explico!
	Tipos de transistores
	Conteúdo interativo
	O transistor como amplificador
	Conteúdo interativo
	O transistor como chave
	Conteúdo interativo
	Verificando o aprendizado
	Questão 2
	2. Circuitos integrados no chaveamento de circuitos elétricos
	Vamos começar!
	O chaveamento de circuitos elétricos através de controladores digitais
	Conteúdo interativo
	Circuitos integrados
	Transistores
	Resistores
	Capacitores
	Diodos
	Lógica TTL
	Portas lógicas
	TTL (Transistor–transistor logic)
	CMOS (Complementary metal-oxide-silicon)
	Porta E (AND)
	Porta OU (OR)
	Portas NÃO E (NAND)
	Portas NÃO OU (NOR)
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	Números binários
	Níveis lógicos
	Classificações de circuitos integrados
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	Integração em Grande Escala ou (LSI)
	Very-Large Scale Integration (VLSI)
	Super-Large Scale Integration (SLSI)
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	Acopladores ópticos
	Exemplo
	Estrutura básica
	Um emissor de luz
	Um detector de luz
	Terminologia
	Comentário
	Dual-in-line (DIL)
	Small outline integrated circuit (SOIC)
	Especificações
	Taxa de transferência real (CTR)
	Largura de banda
	Corrente de entrada
	Tensão máxima do dispositivo de saída
	Vem que eu te explico!
	A eletrônica moderna e os circuitos integrados
	Conteúdo interativo
	A importância das portas lógicas na eletrônica digital
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	A importância dos acopladores ópticos
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	Verificando o aprendizado
	3. Conclusão
	Considerações finais
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	Referências