Transistores

Os transistores causaram uma revolução na eletrônica, substituindo as válvulas termoiônicas.

O uso de transistores consome uma potência muito menor e não exige tensões tão altas, comparado com as válvulas.

Vejamos neste post como resolver circuitos elétricos de corrente contínua com transistores.

Veja a lista de posts do Curso Circuitos Elétricos em sequência.

Os tipos de transistores

Há dois tipos de transistores: NPN e PNP. Transistores são feitos a partir da união de três junções semicondutoras, duas com dopagem idêntica (N ou P) e uma terceira com dopagem oposta (P ou N), de onde vem seus nomes.

Os transistores NPN são formados por três camadas de silício dopadas com materiais dos tipos N, P e N nas respectivas camadas.

Cada uma das camadas do transistor tem uma função no circuito e possuem nomes diferentes: coletor, base e emissor. Essas camadas são designadas pelas letras C, B e E.

Em um transistor NPN o coletor e o emissor são dopados com materiais N e a base com materiais P.

A imagem acima mostra a representação esquemática de um transistor e os seus terminais (coletor, base e emissor) para transistores NPN e PNP.

A flecha está sempre no terminal emissor e indica o tipo do transistor (NPN ou PNP). A flecha também indica a direção da corrente do emissor (entrando ou saindo). As correntes de base e coletor são sempre na direção oposta a corrente de emissor; se I_E entra, I_B e I_C saem e vice-versa.

Pela LKC (Lei de Kirchhoff das Correntes), ou seja, considerando o transistor como um super-nó, podemos identificar a seguinte igualdade para as correntes.

I_E = I_B + I_C

Regiões de operação de um transistor

Veremos agora como resolver circuitos elétricos de corrente contínua com transistores NPN. Para transistores PNP é idêntico, exceto pelas polaridades das correntes e das tensões serem opostas.

O transistor pode estar operando em três regiões:

• Corte – chave desligada. O transistor não conduz através da base ou coletor;
• Ativa – amplificador. O transistor conduz através da base e do coletor, amplificando a corrente de base; e
• Saturação – chave ligada. O transistor conduz através da base e do coletor.

Para verificar em qual das regiões o transistor se encontra devemos utilizar “tentativa e erro”. Logo aprende-se a ver o circuito e intuitivamente dar um bom palpite.

Primeiro precisamos conhecer alguns valores importantes dos transistores:

• V_BEon – Tensão base-emissor que faz o transistor entrar em condução (ativo ou saturação);
• β – Ganho de corrente base-coletor no modo ativo; e
• V_CEsat – Tensão coletor-emissor do transistor quando em saturação.

Cada transistor possui diferentes características. Geralmente utilizamos os valores aproximados a seguir.

• V_BEon = 0.7 V
• β = 100
• V_CEsat = 0.2 V

Transistor em corte

O transistor está em corte quando a tensão base-emissor V_BE=V_B-V_E é menor que V_BEon.

CORTE: V_BE < V_BEon

Quando em corte o transistor não conduz através da base ou do coletor, ou seja, I_B=0 e I_C=0, o que implica que I_E=0.

Dessa forma, um transistor em corte apresenta o circuito equivalente a seguir, onde base, coletor e emissor estão desligados entre si.

Transistor em modo ativo

O transistor está em modo ativo quando a tensão base-emissor V_BE=V_B-V_E é maior igual a V_BEon e a tensão coletor-emissor V_CE=V_C-V_E é maior que V_CEsat. No modelo simplificado que estamos utilizando não é possível que V_BE>V_BEon.

ATIVO: V_BE = V_BEon e V_CE > V_CEsat

Quando em modo ativo o transistor conduz através da base uma corrente determinada pelas resistências do circuito externo ao transistor. A corrente de coletor é uma versão amplificada da corrente de base I_B, com ganho β. Ou seja, I_C=βI_B.

Dessa forma, um transistor em corte apresenta o circuito equivalente a seguir, a corrente de base é determinadas por V_BEon e pelo circuito externo e a corrente de coletor é determinada pelo ganho β e pela corrente de base I_B. A tensão coletor-emissor V_CE é determinada pelo circuito externo.

Transistor em saturação

O transistor está em saturação quando a tensão base-emissor V_BE=V_B-V_E é maior igual a V_BEon e a tensão coletor-emissor V_CE=V_C-V_E é igual a V_CEsat. No modelo simplificado que estamos utilizando não é possível que V_BE>V_BEon nem que V_CE < V_CEsat.

SATURAÇÃO: V_BE = V_BEon e V_CE = V_CEsat

Quando em saturação o transistor conduz através da base e do coletor correntes determinadas pelas resistências do circuito externo ao transistor. Quando em saturação temos que o “ganho de corrente forçado” é menor que o ganho de corrente no modo ativo, ou seja, β_forçado=I_C/I_B<β.

Dessa forma, um transistor em corte apresenta o circuito equivalente a seguir, a corrente de base é determinadas por V_BEon e pelo circuito externo e a corrente de coletor é determinada por V_CEsat e pelo circuito externo.

Como determinar a região de operação?

Para determinar qual a região em que o transistor opera precisamos tomar um palpite inicial, substituir o transistor pelo seu circuito equivalente e resolver o circuito. Se chegarmos a uma contradição o palpite estava errado.

Por exemplo, o utilizamos como palpite a região ativa, resolvemos o circuito e concluímos que V_CE=-4V. A contradição é que, para estar na região ativa, V_CE>V_CEsat=0.2 V.

Geralmente é muito fácil perceber se o transistor está em corte ou não. Agora para palpitar bem sobre estar na região ativa ou em saturação precisamos comparar as resistências do circuito e o ganho de corrente do transistor; para isso é necessário um pouco de experiência resolvendo estes circuitos.

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