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.

Transistores NPN e PNP
Transistores NPN e PNP

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.

Transistores NPN e PNP
Transistores NPN e PNP

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 IE entra, IB e IC 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.

IE = IB + IC

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:

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

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

  • VBEon = 0.7 V
  • β = 100
  • VCEsat = 0.2 V

Transistor em corte

O transistor está em corte quando a tensão base-emissor VBE=VB-VE é menor que VBEon.

CORTE: VBE < VBEon

Quando em corte o transistor não conduz através da base ou do coletor, ou seja, IB=0 e IC=0, o que implica que IE=0.

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

Transistor NPN na região de corte
Transistor NPN na região de corte

Transistor em modo ativo

O transistor está em modo ativo quando a tensão base-emissor VBE=VB-VE é maior igual a VBEon e a tensão coletor-emissor VCE=VC-VE é maior que VCEsat. No modelo simplificado que estamos utilizando não é possível que VBE>VBEon.

ATIVO: VBE = VBEon e VCE > VCEsat

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 IB, com ganho β. Ou seja, IC=βIB.

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

Transistor NPN na região ativa
Transistor NPN na região ativa

Transistor em saturação

O transistor está em saturação quando a tensão base-emissor VBE=VB-VE é maior igual a VBEon e a tensão coletor-emissor VCE=VC-VE é igual a VCEsat. No modelo simplificado que estamos utilizando não é possível que VBE>VBEon nem que VCE < VCEsat.

SATURAÇÃO: VBE = VBEon e VCE = VCEsat

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, βforçado=IC/IB<β.

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

Transistor NPN na região de saturação
Transistor NPN na região de saturação

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 VCE=-4V. A contradição é que, para estar na região ativa, VCE>VCEsat=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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Autor: Djones Boni

Engenheiro Eletricista e Eletrônico. Professor de Engenharia Eletrônica na UTFPR Toledo. Interesses: Sistemas eletrônicos embarcados e de tempo real.

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