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CB10 - Como criar um dimmer para leds com transistor NPN sem Arduino

Angelo Luis Ferreira | 18/12/2021 Acessos: 5.679

Objetivo

Criar um circuito para alterar o brilho de um led através do controle da intensidade de corrente elétrica proporcionado pela ação de um transistor NPN. Para este projeto, vamos utilizar o transistor NPN BC548. Embora o circuito dele tenha resultado similar ao projeto CB09 - Como criar um dimmer para leds com CI 555 sem Arduino (Modulador PWM), eles possuem conceitos bem diferentes, onde em um temos o controle da corrente elétrica por ação do transistor, e no outro, criamos um modulador PMW que que permite o controle de potência em diferentes frequências. Do ponto de vista energético, o circuito que usa o modulador PWM é mais eficiente, porém, mais complexo.

O objetivo deste projeto é ajudar também a entendermos um pouco mais sobre a utilização do transistor, esse componente tão importante na eletrônica. O transistor NPN no projeto irá atuar como uma válvula para controlar o fluxo de corrente elétrica do circuito, de acordo com a tensão de controle promovida por um potenciômetro. Veja na imagem abaixo, onde mostramos uma analogia do transistor atuando como uma válvula hidráulica:

Definições

Transistor: é um componente semicondutor utilizado como amplificador ou interruptor (chave eletrônica) de sinais ou energia elétrica. É composto de um material semicondutor com pelo menos três terminais para conexão com um circuito externo. Os tipos de transistores mais conhecidos e utilizados são os PNP, NPN e MOSFET.

O transistor NPN possui suas junções NP uma voltada contra a outra, com o cristal P (positivo) para as costas da outra junção, formando, então, o transistor de junção bipolar (TJB) NPN. Esse é acionado com carga positiva em relação ao emissor. O seu funcionamento é bem simples: a corrente que circula entre coletor e emissor é controlado pela sua base. Leia mais em Usando Transistor no Arduino.

O transistor NPN pode ser utilizado como amplificador, controlador ou interruptor de corrente elétrica de um circuito.

Observações importantes:

Nota: O transistor PNP tem o mesmo funcionamento do NPN, mas com sentido de corrente elétrica ao contrário.

a) No transistor NPN, temos:

- Uma entrada, chamada coletor (C), por onde entra a corrente de elétrons;

- Uma saída, chamada emissor (E), por onde sai a corrente de elétrons;

- E um entrada de controle, chamada base (B), que no caso é controlada a partir de uma corrente de controle.

b) O transistor possui  3 estados de operação, são eles:

- Ativo :       Icoletor ≅ Iemissor ≅ Ibase X hfe (onde hfe = o coeficiente de ganho de corrente);

- Corte :       Icoletor ≅ Iemissor ≅ 0;

- Saturado:  Icoletor < Ibase X hfe (deixa toda a corrente fluir).

c) Para o transistor NPN conduza corrente elétrica precisamos que:

Condição 1: Vb < Vc  (Tensão de coletor maior que tensão de base);

Condição 2: (Vb ­ - Ve) < 0,7  (Tensão de base é em média 0,7V maior que tensão de Emissor);

d) O coeficiente de ganho de corrente (hfe) pode ser obtido no datashet do componente. Esse valor costuma ser na ordem de centenas e representa o número de vezes que a corrente de coletor será maior que a corrente de base. O hfe explica porque podemos utilizar transistores para amplificar a corrente em uso de motores de corrente contínua. Leia I05 - Controlando um motor DC com Arduino, transistor e potenciômetro.

Aplicação

Para fins didáticos e projetos eletrônicos e elétricos em iluminação ou com motores de corrente contínua.

Componentes necessários

Referência	Componente	Quantidade	Imagem	Observação
Protoboard	Protoboard 830 pontos	1		No mínimo utilizar protoboard com 830 pontos
Jumpers	Kit cabos ligação macho / macho	1
Led Difuso 5mm	LEDs 5mm	1		1 LED alto brilho azul ou de outra cor qualquer hhhhhhhhhhhhhhhhhhhhhh Você poderá utilizar também LEDs de qualquer outra cor ou LEDs difusos de 3 ou 5mm nas cores que desejar.
Resistor	Resistor	2		1 Resistores de 330Ω (LED)   1 Resistores de 10KΩ (capacitores) Os valores para os resistores são para um circuito com uma fonte de 9V.  Entretanto, para fontes com 5V, utilizar para o led um resistor de 150Ω ou maior e com fonte de 12V um led de 470Ω ou maior.
Transistor NPN BC548	NPN BC548	1		1 transistor NPN BC548 Você também poderá utilizar NPN BC546 / BC547 / BC549 ou BC550 (datasheet)
Potenciômetro	Potenciômetro linear 100K	1		Você poderá utilizar valores entre 50K a 100K
Bateria 9V	Bateria 9V	1		Se você não tiver uma bateria 9V, utilize pilhas ou Fonte ajustável para protoboard como fonte de energia (este projeto pode ser utilizado para tensões entre 5V a 12V).

Esquema elétrico

Montagem do Circuito

Conecte os componentes no Protoboard como mostra a figura abaixo. Verifique cuidadosamente os cabos de ligação antes de ligar na fonte de energia.

Obs.1: Neste projeto você poderá utilizar uma fonte de 5V a 12V, desde que utilize resistores para os leds adequados para cada tensão.

Atenção:

1. Lembre-se que o LED tem polaridade: O terminal maior tem polaridade positiva (conectado ao Vcc) e o lado do chanfro tem polaridade negativa.

1.1. Para evitar danos ao led é necessário a inclusão de um resistor (R1) no circuito. Como o resistor é um limitador da corrente elétrica, ele poderá estar conectado no anodo (terminal maior) ou no catodo (terminal menor) do led, tanto faz.

1.2. De acordo com o nosso exemplo, o terminal positivo do led (anodo) deve estar conectado com o Vcc (fonte).

1.3. Valores de (R2) recomendados para o projeto - LED difuso ou de alto brilho: 150Ω para fonte de 5V | 330Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V (valores determinados pela tabela prática : Tabela prática de utilização de leds 3mm e 5mm). Entretanto, o mais correto é sempre verificar o datasheet do fabricante do LED para você ter os exatos valores de tensão e corrente do mesmo.

2. Para montar os transistores NPN BC548 atente para a posição dos terminais.

2.1. Veja como fica a montagem do transistor na imagem abaixo. O pino 3 (emissor) deverá estar conectado ao GND (-). O pino 1 (coletor) deverá estar conectado ao resistor R1 (led). Já o pino 2 (base) deverá estar conectado ao resistor de base R1, ou seja, resistor conectado ao terminal central do potenciômetro.

3. O potenciômetro deverá ser montado como um divisor de tensão, onde utilizamos os 3 terminais do componente:

3.1. Veja abaixo como devemos montar o potenciômetro no nosso projeto:

3.2. Observe que o potenciômetro deve ter o seu terminal central conectado com a base do transistor, via um resistor (R2). Esse resistor é responsável para limitar a corrente de base (Ibase).

3.3. Observe que o potenciômetro é o responsável por fornecer tensão de controle para o transistor. O potenciômetro como está montado é um divisor de tensão capaz de fornecer, conforme nosso projeto, tensão de 0V a no máximo 9V (carga da bateria), proporcional à posição do eixo do componente. Lembre que a tensão irá aumentar sempre que giramos o eixo do potenciômetro para o lado positivo (Vcc).

3.3.1. No projeto, utilize qualquer potenciômetro linear entre 1 a 100K.

3.4. O resistor (R2) irá então limitar a corrente que vai para a base do transistor. Isso irá portanto, limitar a corrente da base de tal forma, que o transistor apenas oferecerá a corrente necessária para ativar o led, ou seja, em torno de 20mA. Dependendo do coeficiente de ganho de corrente do transistor utilizado, podemos calcular o valor de R2, conforme mostraremos mais a frente do nosso tutorial.

3.5. Com a corrente de base então definida pela tensão de controle e o resistor R2, o transistor irá portanto controlar a corrente enviada para o led, aumentando ou diminuindo o seu brilho a partir da tensão de controle fornecida pelo potenciômetro.

3.5.1. Atenção: A utilização do resistor de base é obrigatória, evitando-se também uma sobrecarga no potenciômetro, podendo até queimá-lo. Portanto, utilize o resistor de base R2 no seu projeto.

4. Cálculo do Resistor de base (R2)

4.1. Vamos primeiro definir qual o valor do hfe do transistor utilizado, pegando os dados no datasheet do componente. No projeto utilizamos o NPN BC548. Veja a tabela abaixo:

4.2. Conforme tabela acima, vamos utilizar por segurança o valor mínimo. Portanto, definimos o valor do coeficiente de ganho de corrente, hfe = 110. 

4.3. Para que o nosso led funcione normalmente, precisamos no mínimo ter um valor aproximado de 20mA (conforme dados do datasheet do led). Também sabemos que quando o transistor está na condição ativo (passa corrente), o Icoletor ≅ Iemissor ≅ Ibase X hfe. Portanto:

Icoletor = Ibase x hfe => 20mA = Ibase x 110,

então, Ibase = 20mA /110 => Ibase(min) = 0,181818mA = 0,000181818A

4.4. Como já vimos no início do tutorial, para que o transistor conduza eletricidade  (Vb ­ - Ve) < 0,7 ou seja, quando há passagem de corrente elétrica, existe uma queda de tensão em média de 0,7V entre a tensão de base e o emissor. Portanto, pela lei de ohm, temos:

V = R x I => (9V - 0,7V) = R x Ibase => 8,3 = R x 0,000181818,

R = 8,3 / 0,000181818 => R(max) = 46.111,1111 => R(max) = 46K

Portanto, se você utilizar um resistor de base (R2) com 46K o transistor nesta condição ativa imite para que ocorra passagem de corrente, onde Icoletor = Ibase x hfe para uma corrente de 20mA.

4.5. No entanto, para que o transistor NPN conduza corrente elétrica máxima, é necessário que Vc > Vb (tensão do coletor maior que a tensão da base), ou seja, passando de condição de ativo para saturado.  Desta forma, podemos utilizar um resistor com valores bem menores que o valor máximo de 46k para que Icoletor(min) < Ibase x hfe (Icoletor_saturado). Adotamos portanto, um resistor de base R2 com 10k, considerando também que a carga da bateria real quase nunca chega totalmente em 9V. Veja a verificação abaixo:

Ibase = (9,0-0,7) / 10K => 8,3/10.000 = 0,00083, Ibase = 0,83mA

Icoletor(saturado) = Ibase x hfe => Icoletor(saturado) = 0,83 x 110 => Icoletor(saturado) = 91,3mA

Condição para passar energia para o led: Icoletor(min) < Icoletor(saturado)

Tensão do led (datashhet) = 2,5V => Portanto a tensão no led = (9 - 2,5) = 6,5V

Resistor R1 = adotamos um resistor de 330Ω  para uma tensão de 9V,

Portanto: Icoletor(min) = 6,5 / 330 => Icoletor(min) = 0,01969 => Icoletor(min) = 19,7mA

Condição: Icoletor(min) será 19,7mA no circuito para  acender o led, então Icoletor(min) 19,7mA <  Icoletor(saturado) 91,3mA => Portanto, nessa condição o transistor estará na condição saturado.

Obs.: É importante dimensionar bem esse resistor para que não se restrinja demais a corrente de coletor do transistor. O ideal, para esse tipo de aplicação, é trabalharmos com o transistor saturado (Icoletor(min) < Ibase.hfe). Para isso, geralmente escolhemos um resistor bem menor que o R(max) calculado. Recomendamos que R = R(max) / 4, ou seja, resistor utilizado seja 25% do valor R(max) calculado.

5. Neste projeto você poderá utilizar fontes de energia de 5V a 12V, como pilhas, baterias ou fontes ajustáveis para protoboard. Para instalar e utilizar uma fonte ajustável, assista o vídeo: Fonte Ajustável para Protoboard - Arduino

Atenção: Não esqueça de alterar o resistor R1 que vai conectado ao led: 150Ω para fonte de 5V | 330Ω para fonte de 9V | 470Ω para fonte de 12V.  Você poderá manter o resistor de base R2 com 10K, mas poderá utilizar 4,7K na para fonte de 5V e 15K para 12V.

2. A montagem abaixo foi realizada em um protoboard com 400 pontos:

Observe que utilizamos no nosso exemplo uma bateria com 9V e um resistor de 330Ω para o led.

Vídeo

Experiência

1. Retire o transistor e o resistor de base 10K, conectando o pino central do potenciômetro em série diretamente com o resistor do led. Observe que apenas uma pequena parte do cursor do potenciômetro consegue fazer o brilho do led aumentar ou diminuir. Compare e descreva as diferenças entre os dois circuitos (transistor e sem transistor).

2. Faça agora com que o potenciômetro funcione como um reostato, atuando como uma resistência variável. Desta forma, você fará com que o brilho do led se altere em função do valor da resistência controlada pelo potenciômetro. Compare e descreva as diferenças entre os dois circuitos, ambos sem transistor (potenciômetro como divisor de tensão X potenciômetro como reostato). Observe que o valor da resistência do potenciômetro não afeta quando utilizamos como divisor de tensão, mas afeta quando utilizamos como reostato (resistência variável). Se possível, teste com potenciômetros com valores diferentes.

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