Acionamento de relés e cargas: transistores, diodo flyback e isolamento básico

Por que uma porta lógica não deve acionar um relé diretamente

Um relé é uma carga eletromecânica cuja bobina exige corrente relativamente alta e se comporta como um elemento indutivo. Já uma saída lógica (TTL/CMOS) foi projetada para acionar principalmente entradas de outros circuitos digitais, com correntes limitadas.

1) Limite de corrente da saída lógica

Bobinas de relé comuns (5 V ou 12 V) costumam exigir dezenas de miliampères (por exemplo, 30 mA a 100 mA). Muitas saídas lógicas não conseguem fornecer essa corrente sem sair da especificação, aquecer, distorcer o nível lógico ou até danificar o CI. Mesmo quando “parece funcionar”, pode haver queda de tensão na saída, fazendo o relé vibrar ou não comutar com confiabilidade.

2) Indutância e pico de tensão (back-EMF)

Ao desligar a corrente de uma bobina, a energia armazenada no campo magnético precisa ser dissipada. A bobina reage gerando um pico de tensão (tensão reversa) que pode ser alto o suficiente para causar falhas, reset, travamentos ou dano na saída lógica. Esse é o motivo do uso do diodo de flyback (diodo de roda-livre) em paralelo com a bobina.

3) Ruído e interferência

Relés comutam cargas e geram ruído elétrico (principalmente se a carga for indutiva, como motor/solenóide). Esse ruído pode entrar no circuito digital pela alimentação e pelo terra (GND), causando comutações falsas e instabilidade.

Acionamento correto com transistor e diodo flyback

A solução típica é usar a saída lógica apenas como comando e deixar a corrente da bobina passar por um transistor (NPN ou MOSFET). O transistor funciona como uma chave eletrônica. O diodo flyback protege o transistor e o restante do circuito contra o pico da bobina.

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Topologia mais comum: chaveamento no lado baixo (low-side)

No chaveamento low-side, a bobina fica ligada ao +V da fonte do relé e o transistor conecta/desconecta o outro lado da bobina ao GND. É simples e funciona bem para relés DC.

Circuito com transistor NPN (BJT): dimensionamento prático

Componentes

• Transistor NPN (ex.: 2N2222, BC337) com corrente máxima maior que a corrente da bobina.
• Resistor de base para limitar a corrente vinda da saída lógica.
• Diodo flyback (ex.: 1N4148 para relés pequenos; 1N4007/1N4001 para relés mais comuns).
• Relé DC (bobina 5 V ou 12 V, conforme a fonte disponível).

Ligação (texto)

• Um terminal da bobina do relé no +Vrelé.
• Outro terminal da bobina no coletor do NPN.
• Emissor do NPN no GND.
• Diodo flyback em paralelo com a bobina: catodo no +Vrelé e anodo no lado do coletor (lado que vai ao transistor).
• Saída lógica → resistor de base → base do NPN.

Como escolher o resistor de base (regra prática)

Para garantir saturação do BJT (chave bem “fechada”), usa-se um ganho forçado baixo. Uma regra simples:

Ib ≈ Icoil / 10

Exemplo: relé com bobina de 70 mA → corrente de base alvo ~7 mA.

Então:

Rb ≈ (Vlogic - 0,7 V) / Ib

• Para lógica de 5 V: Rb ≈ (5 - 0,7) / 0,007 ≈ 614 Ω → valor comercial: 560 Ω ou 680 Ω.
• Para lógica de 3,3 V: Rb ≈ (3,3 - 0,7) / 0,007 ≈ 371 Ω → valor comercial: 330 Ω ou 390 Ω.

Observação importante: verifique se a saída lógica consegue fornecer a corrente de base calculada. Se não puder, reduza a corrente da bobina (relé menor), use um transistor com melhor ganho em saturação (ou Darlington, com cuidado de queda de tensão), ou prefira um MOSFET lógico.

Resistor de pull-down na base (opcional, recomendado)

Para evitar acionamento indevido durante inicialização/alta impedância, pode-se colocar um resistor de 47 kΩ a 220 kΩ entre base e emissor (base para GND), mantendo o transistor desligado quando a saída estiver flutuante.

Circuito com MOSFET canal N (lógico): mais eficiente

Um MOSFET canal N de nível lógico (que satura bem com 3,3 V ou 5 V no gate) costuma ser uma opção excelente: exige praticamente corrente DC nula no gate e dissipa menos potência.

Componentes

• MOSFET canal N lógico (ex.: AO3400, IRLZ44N, IRLZ34N; escolha conforme corrente e encapsulamento).
• Resistor de gate (típico 100 Ω a 330 Ω) para reduzir ruído e picos de corrente de carga do gate.
• Resistor pull-down no gate (típico 47 kΩ a 220 kΩ) para garantir desligado na partida.
• Diodo flyback em paralelo com a bobina (mesma orientação do caso NPN).

Ligação (texto)

• Bobina: um lado no +Vrelé, outro lado no dreno do MOSFET.
• Source no GND.
• Gate recebe o sinal lógico via resistor de gate; pull-down do gate para GND.
• Diodo flyback: catodo no +Vrelé, anodo no dreno (lado da bobina que vai ao MOSFET).

Diodo flyback: orientação e escolha

Orientação correta

O diodo deve ficar reversamente polarizado durante o acionamento normal. Ou seja, quando a bobina está energizada, o diodo não conduz. Ao desligar, a tensão se inverte e o diodo passa a conduzir, “recirculando” a corrente e limitando o pico.

• Catodo (lado da faixa) no +V da bobina.
• Anodo no lado do transistor (coletor/dreno).

Escolha do diodo

• Para bobinas pequenas (correntes menores): 1N4148 pode servir.
• Para relés comuns: 1N400x (1N4001 a 1N4007) é uma escolha robusta.

Se a comutação precisar ser mais rápida (relé soltar mais rápido), o diodo simples aumenta o tempo de desenergização. Em aplicações específicas, usa-se rede RC ou diodo+zener, mas isso aumenta complexidade e deve ser feito com cálculo.

Alimentação separada, retorno de GND e cuidados de layout

Fonte do relé vs. fonte da lógica

É comum alimentar a bobina do relé com uma fonte separada (por exemplo, relé 12 V e lógica 5 V/3,3 V). Isso reduz quedas de tensão e ruído na alimentação digital.

GND comum (quando não há isolamento)

Se você não estiver usando optoacoplador (isolamento), normalmente é necessário GND comum entre a fonte da lógica e a fonte do relé, para que o nível lógico tenha referência correta no transistor/MOSFET.

Como evitar que o relé “suje” o GND da lógica

• Faça o retorno de corrente da bobina ir direto ao ponto de GND da fonte do relé (topologia de terra em estrela), evitando passar pelo mesmo caminho do GND sensível da lógica.
• Use capacitor de desacoplamento próximo ao relé/fonte do relé (por exemplo, 100 nF cerâmico + 10 µF eletrolítico) para reduzir picos.
• Mantenha trilhas/fios da bobina e contatos do relé afastados de entradas digitais sensíveis.

Isolamento básico com optoacoplador: quando e como usar

Quando a carga comutada é mais ruidosa, quando há diferença grande de tensões, ou quando você quer proteger a lógica de surtos e falhas do lado de potência, um optoacoplador pode ser usado para isolamento básico. Ele transmite o comando por luz (LED interno) e separa eletricamente os dois lados.

Arquitetura típica

• Lado lógico: saída digital aciona o LED do opto via resistor.
• Lado de potência: o transistor do opto aciona o transistor/MOSFET que energiza a bobina (ou, em alguns casos, aciona diretamente se a corrente permitir, o que nem sempre é adequado).

Pontos de atenção

• Mesmo com opto, o relé ainda precisa de diodo flyback no lado da bobina.
• Se o objetivo for isolamento real, não una os GNDs dos dois lados. Cada lado deve ter sua própria referência e fonte.
• O opto tem limitações de corrente e velocidade; para relé isso geralmente não é problema, mas é preciso garantir corrente suficiente no LED do opto e no estágio de saída.

Projeto prático: acionar um relé com uma saída lógica e um botão

Objetivo: ao pressionar um botão, a lógica coloca a saída em nível alto e o relé energiza. Ao soltar, desenergiza. O botão pode ir para uma entrada digital (com rede de pull-up/pull-down já definida no seu projeto), e a saída digital comanda o transistor do relé.

Materiais sugeridos

• 1 relé DC (ex.: bobina 5 V ou 12 V, conforme sua fonte).
• 1 transistor NPN (2N2222/BC337) ou 1 MOSFET canal N lógico.
• 1 diodo 1N400x (ou 1N4148 para relé pequeno).
• Resistores: base/gate (conforme cálculo), pull-down (47 kΩ a 220 kΩ).
• Fonte para a bobina do relé (pode ser separada da lógica).
• Botão e fiação/protoboard.

Esquema de ligação (versão NPN, recomendado para começar)

• +Vrelé → um lado da bobina.
• Outro lado da bobina → coletor do NPN.
• Emissor do NPN → GND (da fonte do relé).
• Diodo flyback em paralelo com a bobina: catodo no +Vrelé, anodo no coletor.
• Saída lógica → resistor de base (ex.: 680 Ω para relé ~70 mA em 5 V) → base do NPN.
• Resistor de 100 kΩ da base para GND (opcional).
• Se a fonte do relé for separada e não houver opto: unir GND da lógica com GND do relé em um ponto bem definido.

Passo a passo de montagem e testes

Passo 1: validar a bobina do relé

• Confira a tensão nominal da bobina (5 V, 12 V etc.).
• Se possível, meça a resistência da bobina e estime a corrente: I ≈ V / R.

Passo 2: montar o estágio de potência (transistor + relé + diodo)

• Monte o transistor em low-side.
• Instale o diodo flyback com orientação correta (faixa no +Vrelé).
• Antes de ligar na lógica, confira continuidade e curtos entre +Vrelé e GND.

Passo 3: ligar a saída lógica ao transistor

• Insira o resistor de base/gate.
• Garanta que o GND da lógica e do relé estejam referenciados corretamente (se não houver opto).

Passo 4: implementar o botão na lógica

• Conecte o botão à entrada digital conforme seu padrão de pull-up/pull-down já definido no projeto.
• Faça a lógica: botão pressionado → saída = 1; solto → saída = 0.

Passo 5: testes de comutação (checklist)

• Teste 1 (sem carga nos contatos): energize o circuito e pressione o botão; verifique se o relé “clica” com firmeza e sem vibração.
• Teste 2 (tensão na bobina): meça a tensão na bobina quando acionada; deve estar próxima da nominal.
• Teste 3 (nível lógico): meça a tensão na saída lógica quando o relé está acionado; não deve cair a ponto de sair da faixa de nível alto.
• Teste 4 (ruído/reset): observe se a lógica reinicia ou se há acionamentos falsos ao desligar o relé; se houver, melhore desacoplamento, roteamento de GND e considere optoacoplador.

Checklist de segurança e boas práticas

• Não comute tensão de rede (127/220 VAC) em protoboard; use bornes, isolamento, caixa e distâncias adequadas.
• Mantenha o lado de contatos do relé (carga) fisicamente separado do lado de lógica.
• Se a carga for indutiva (motor, solenóide), considere supressores no lado da carga (ex.: snubber/varistor) para reduzir arco e ruído nos contatos.
• Garanta que o transistor escolhido suporta a corrente da bobina e que há margem térmica.
• Confirme a polaridade do diodo flyback antes de energizar; invertido ele cria curto quando o relé liga.

Referência rápida: valores típicos