Componentes Ativos – Transistor – Parte 1

O transistor foi inventado na década de 1950 para substituir as válvulas eletrônicas. Naquela época procuravam uma alternativa que fosse mais barata, pequena e que consumisse menos energia, logo, criaram o transistor que atendia a todos estes requisitos. Mesmo passado vários anos desde a sua criação, o transistor está em constante mudança, se tornando cada vez menor e mais eficiente, seguindo a Lei de Moore.

Gordon Earle Moore, profetizou que a quantidade de transistores que poderiam ser colocados em uma mesma área dobraria a cada 18 meses mantendo-se o mesmo custo de fabricação. Atualmente a IBM fabrica transistores que chegam a 5nm, para se ter uma ideia, é possível colocar cerca de 30 bilhões de transistores em um único chip.

O transistor é um componente eletrônico ativo com varias funções. Dentre elas, as mais comuns são as de amplificar o sinal (tensão) e de comutador de circuitos (chave). Hoje existem diferentes tipos, sendo o transistor bipolar (BJT) o mais comum. Há também os transistores de efeito de campo, ou FET, como é conhecido. Entre eles temos o JFET (Junction Field Effect Transistor), o mosfet (Metal Oxid Semiconductor Function Effect Transistor ), o Nmosfet (tipo n) e o Pmosfet (tipo p). Há outros transistores que são separados em um grupo especializado próprio, como exemplo, os fototransistor, que reage a quantidade de luz que brilha sobre ele para produzir fluxo de corrente e que comumente é utilizado nos chips 4N25 (fotoacoplador / optoacoplador).

O transistor bipolar foi primeiro tipo fabricado e o mesmo é constituído por duas junções PN ligadas entre si, podendo obter-se duas configurações diferentes: o transistor NPN (NP + PN) e o transistor PNP (PN + NP). Destas junções resultam três zonas de condução, as quais foram dados os nomes de coletor (C), base (B) e emissor (E). A base é a região intermédia e é o principal responsável pela ativação do transistor, o coletor é a perna positiva e o emissor a perna negativa. Na imagem abaixo temos a construção dos transistores bipolar e seu respectivo símbolo.

No post anterior, vimos a construção do diodo, e como podemos observar, ele é bem semelhante ao transistor, acrescentando apenas outra camada dopada do tipo N ou P. Podemos ver também seus 3 terminais e a identificação deles no símbolo, onde a base sempre vai estar no centro, coletor acima e emissor abaixo (junto com a seta que indica o sentido da corrente).

O transistor possui três áreas de funcionamento:

Área de corte, acontece quando a corrente de base é zero ou muito próxima a zero, com isso o transistor não deixa passar corrente entre o coletor e o emissor, atuando como se fosse uma chave aberta.

Área ativa ou linear, é quando o transistor começa a funcionar como amplificador, onde o valor da corrente de base será amplificada beta vezes (β) no coletor (Ic), também chamada de ganho ou hfe. Quanto mais se aumenta a corrente de base, maior será a corrente de coletor.

Área de saturação, acontece quando o limite de condução do transistor é atingido e mesmo se a corrente de base for aumentada, não haverá aumento de corrente no coletor, pois o valor máximo de corrente que ele pode conduzir já foi atingido e o mesmo atua como se fosse uma chave fechada.

Uma outra forma de sabermos como funciona um transistor é ver sua curva característica. Na imagem abaixo temos um exemplo da uma curva de um transistor BJT:

Em muitos cálculos, é necessário saber todas as medidas presentes em um transistor, seja de tensão ou de corrente. Na imagem abaixo temos a identificação de todas as medidas possíveis:

Sendo que:

Vbe = tensão entre base e emissor, onde tipicamente este valor está entre 0,6 e 0,7V, já que entre estas duas partes se encontram uma junção do tipo PN, e esta tensão é necessária para ultrapassar a camada de depleção, conforme vimos no post anterior sobre o diodo.

Vcb = tensão entre a base e coletor.

Vce = tensão entre coletor e emissor, que é a soma de Vbe e Vbc seguindo a Lei de Kirchhoff.

Ic = corrente de coletor.

Ib = corrente de base.

Ie = corrente de emissor, que é a soma de Ib e Ic.

Utilizando o transistor como chave

O transistor pode ser utilizado como uma chave liga / desliga a partir do uso da área de corte (desliga) ou da área de saturação (liga).

Na imagem abaixo temos um exemplo de circuito, onde ao pressionar o botão B01, o transistor vai entrar na sua área de saturação e o LED deverá acender. Quando B01 não estiver pressionado, o transistor vai estar na sua área de corte e o LED deverá permanecer apagado.

O LED utilizado no circuito acima funciona com 2V e 20mA. No datasheet do transistor, a tensão de saturação entre coletor-emissor é de 0,3V  e o ganho (hfe) é de no máximo 800 e de no mínimo 90. Com estes dados nós já podemos calcular todos os resistores do circuito para que ele funcione perfeitamente.

Em posse dos dados, vamos começar a calcular o valor de R2. Para isso, temos que saber a queda de tensão nos componentes do circuito. O datasheet do transistor diz que Vce(sat) é de 0,3V e sabemos que a tensão do LED é de 2V, portanto, falta saber a tensão sobre o resistor R2. Aplicando a Lei de Kirchhoff, podemos calcular da seguinte forma:

VR2 = 5V – 0,3V – 2V
VR2=2,7V

Logo, a tensão sobre R2 será de 2,7V.

Para o LED funcionar, é necessário uma corrente de 20mA. Aplicando a Lei de Ohm, podemos calcular o valor do resistor R2:

R2 = 2,7/0,020
R2 = 135 ohm

Logo, o valor de R2 é de 135 ohm. O valor comercial mais próximo é de 130 ohm. Para garantia de saturação, devemos escolher um valor de ganho 5 vezes menor que o pior caso, ou seja, o pior hfe. De acordo com o datasheet, no caso desse transistor o menor hfe é 90, então temos:

hfe= 90/5
hfe=18

Agora vamos calcular a corrente de base do transistor para fornecer os 20mA no coletor:

20mA / 18 = 1,1mA

Neste caso, a corrente de base deverá ser de 1,1mA para que o transistor fique saturado e conduza 20mA no seu coletor. Para que todo tipo de transistor funcione, é necessário uma tensão maior que 0,7V entre a base e o emissor, já que neste ponto temos um diodo simples e esta tensão é necessária para ultrapassar a camada de depleção. Como a fonte é de 5V, a queda de tensão em cima de R1 deverá ser de no mínimo 4,3V (5V – 0,7V = 4,3V).

Com isso podemos calcular o valor de R1 usando a Lei de Ohm:

R1 = V/I
R1 =4,3 / 0,0011
R1 = 3.909 ohm

Logo, podemos usar o resistor de valor comercial mais próximo, ou seja 3,9K

No próximo post, vamos usar o transistor na sua área linear, ou seja, como amplificador de corrente.

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