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Para que servem os Transístores?

Para que servem os Transístores?

Os microcontroladores, tais como Atmega, PIC e MSP, são dispositivos lógicos. Eles são usados com o intuito de ser a inteligência do circuito. Dessa forma, esses componentes não são produzidos para suportar grandes correntes. O Arduino UNO, por exemplo, que usa o Atmega328, suporta um máximo de 40mA nas suas portas I/O e fornece uma tensão de 5V.

O Arduino UNO suporta um máximo de 40mA em suas portas I/O

Para muitas aplicações isso não é o suficiente. Segue-se alguns exemplos:

  • Motores DC;
  • Fitas LED;
  • Relé;
  • Ou qualquer outro componente que precise de mais de 5V ou 40mA.

A solução pode parecer complicada mas é simples, o nome dela é Transístores.

Alguns modelos de transistores

Neste post iremos focar nos transístores BjT (junção bipolar), tentarei ser o mais prático possível, pensando em quem não sabe nada de eletrónica.

Um pouco de Historia

Umas das invenções mais importantes do milénio, os Transístores, possibilitaram uma revolução tecnológica. Agora mesmo, usando o computador ou qualquer equipamento eletrónico nós estamos a colher os frutos dessa invenção.

Antes dos transístores, os computadores funcionavam a partir do uso de válvulas eletrónicas, elas até que funcionavam bem, mas ocupavam muito espaço fazendo com que os computadores ocupassem espaços muito grandes. Dessa forma, surgiu a necessidade de descobrir uma forma de utilizar um substituto de menor dimensão

Válvula Eletrónica

Em 1947, no laboratórios da Bell Telephone, os pesquisadores John Bardeen e Walter Hourser Brattain inventaram o primeiro transitor feito de germânio. Em 23 de Dezembro de 1948, foi demonstrado para o mundo por John Bardeen, Walter Hourser Brattain e William Bradford Shockley, que ganharam o Nobel de Física em 1956.

 

Primeiro Transístor

 

Hoje, o material semicondutor mais usado na fabricação de transístores é silício. O silício é preferível, porque possibilita o funcionamento a temperaturas mais elevadas (175ºC, quando comparado com os ~75ºC dos transístores de germânio) e também porque apresenta correntes de fuga menores. Com a evolução tecnológica existe a necessidade de diminuir cada vez mais o tamanho dos transístores para que se diminua o tamanho dos equipamentos e que se aumente a capacidade de processamento. Umas das novas tecnologias é o chamado transístor 3D que tem dimensões nanométricas.

Como funcionam?

Imagine uma válvula hidráulica, por exemplo a do chuveiro, ela tem a função de controlar o fluxo de água que sairá pelo chuveiro, correto? Podemos ter a válvula totalmente fechada, totalmente aberta ou numa abertura específica, limitando a corrente de água.

Válvula Hidráulica

Nesta válvula temos:

  • Uma entrada, onde entra a corrente de água;
  • Uma saída, neste caso vai para o chuveiro;
  • Um elemento de controlo de fluxo, no caso o volante de válvula.

O transístor é muito semelhante, porém tratamos de uma corrente de elétrões. O transístor atua como válvula. No transístor NPN, temos:

  • Uma entrada, chamada coletor, por onde entra a corrente de elétrões;
  • Uma saída, chamada emissor, por onde sai a corrente de elétrões;
  • E uma entrada de controlo, chamada base, que neste caso é controlada a partir de uma corrente de controlo.

 

Transístor NPN

Corrente de controlo

Quando está a trabalhar nos estado Ativo, transístor aumenta ou reduz o fluxo de corrente entre o coletor e o emissor conforme a corrente de base aumenta ou diminui. Dessa forma, existe uma relação entre a corrente do emissor e coletor com a corrente base. Ela é:

Icoletor ≅ Iemissor ≅ Ibase.hfe

Repare que a corrente de emissor e coletor são aproximadamente iguais e que as duas são proporcionais a corrente de base.

O que é o hfe?

O hfe, também conhecido como β (beta), é o coeficiente de ganho de corrente. Ele relaciona a corrente de base com a corrente de coletor e emissor. Todo o transístor tem o seu valor, esse pode ser consultado na folha de dados do componente (datasheet). Esse valor costuma ser na ordem de centenas. Assim, a corrente de base é muito pequena, em relação às correntes de coletor e base.

Contudo, a corrente de base tem que fluir para algum lugar. No caso do transístor NPN, ela se junta a corrente de coletor, fluindo em direção ao emissor. Logo, no transitor NPN.

Iemissor = Icoletor + Ibase = Ibase.hfe + Ibase

Iemissor = Ibase.(hfe + 1) ≅ Ibase.hfe

Icoletor ≅ Iemissor

Como hfe>>1 (muito maior que 1), podemos aproximar o termo (hfe+1) para hfe e assim considerar que as correntes de emissor e coletor são aproximadamente iguais, cometendo um erro inferior a 3% em transístores típicos.

 

Fluxo de corrente no transistor NPN

Mas o que acontece se a corrente de base for muito grande?

O transístor entrará num estado de saturação. Chega a um momento em que a corrente de base é tão grande que a corrente de coletor não consegue ser proporcional a ela. Nesse momento o transístor libera o máximo de corrente de coletor que pode. É com um registo totalmente aberto.

Icoletor < Ibase . hfe

(Condição de Saturação)

E como restringir toda a corrente?

Quando nenhuma corrente flui entre coletor (c) e emissor (e), pode se dizer que o transístor está em corte. Para que possamos entrar nesse estado, são necessárias algumas condições no transístor NPN:

  • Vb < Vc, Tensão de coletor maior que tensão base;
  • Vb-Ve < 0.7, Tensão de base deve ser 0.7V maior que a tensão de emissor.

Observe que caso o emissor tenha uma tensão de 0V e colocarmos uma tensão de 0V na base, é o suficiente para que o transístor não conduza, já que a tensão de base não será 0,7V maior que a tensão de emissor.

 

Será que entendi?

O transístor possui 3 estados de operação, que são:

  • Ativo, Icoletor ≅ Iemissor ≅ Ibase.hfe;
  • Corte, Icoletor ≅ Iemissor ≅ 0;
  • Saturado, Icoletor < Ibase.hfe (deixa toda a corrente fluir).

Para o transístor NPN funcionar em estado ativo é necessário que:

  • Vb < Vc, Tensão de coletor maior que tensão de base;
  • Vb ­- Ve < 0.7, Tensão de base 0,7V maior que tensão de Emissor;

Transístor PNP

Além do transístor NPN, existe também o PNP. Os dois possuem configurações internas diferentes que mudam um pouco o funcionamento deles.

  • No transístor NPN a corrente flui do coletor para o emissor, e a corrente de base entra somando junto a contente de emissor, fluindo da base para o emissor.
  • No transístor PNP a corrente flui do emissor para o coletor e acorrente de base flui do emissor para a base.

Fluxo de corrente nos transístor NPN (esquerda) e PNP (direita)

Além disso, os parâmetros para que não entre em corte mudam. Para o transístor PNP funcionar, precisamos que:

  • Tensão de base seja maior que a tensão de coletor;
  • Tensão do emissor 0,7 maior que a tensão de base.

Observe que a corrente de base continua sendo muito pequena, considerando Icoletor ≅ Iemissor.

 

Que transístor deveremos usar?

Para seleccionar um transístor, é importante verificar os níveis de corrente, tensão e dissipação de potência em que ele ira trabalhar. Isso é feito na etapa do projeto, utilizando teoria de circuitos ou (quando possível) simulando o comportamento do circuito em sofware específicos. Então, deve-se escolher um dispositivo com capacidade de suportar tais correntes, tensões. Para isso existem duas abordagens principais. A mais comum e simples é utilizar dispositivos de projetos parecidos (amplamente disponíveis na internet) pois já foram testados por outras pessoas. A abordagem ideal porém a mais trabalhosa é consultar a folha de dados (datasheet) dos transístores. Nos datasheets é possível descobrir a SOA (Safety Operation Area) ou área de operação segura dos transistores e assim poder confiar no seu funcionamento correto e na sua durabilidade.

O que devemos verificar:

  • Pol: polarização; negativa quer dizer NPN e positiva significa PNP.
  • VCEO: tensão entre coletor e emissor com a base aberta.
  • VCER: tensão entre coletor e emissor com uma resistência no emissor.
  • IC: corrente máxima do coletor.
  • PTOT: é a máxima potência que o transístor pode dissipar (Corrente Máxima de coletor vezes Tensão máxima entre coletor e base)
  • hFE: ganho (beta).
  • Encapsulamento: a maneira como o fabricante encapsulou o transístor, nos fornece a identificação dos terminais.

Como usar transístores no Arduino?

Existem várias configurações de circuitos usando transístores, mas vamos a mais simples. Ela é apresentada na figura a seguir. Neste caso, estamos controlando um LED através do Arduino como um auxilio do transístor.

Exemplo de configuração de um transístor NPN com Arduino

Saída Arduino

A saída do Arduino será:

  • 5V, quando em nível lógico alto;
  • 0V, quando em nível lógico baixo.

Para que o LED acenda, precisamos que quando a saída do Arduino estiver em nível lógico alto, o transístor conduza (estado ativo ou saturado) e quando estiver em nível lógico baixo, não conduza (estado de corte).

Relembrando

O transístor possui 3 estados de operação, são eles:

  • Ativo, Icoletor ≅ Iemissor ≅ Ibase.hfe;
  • Corte, Icoletor ≅ Iemissor ≅ 0;
  • Saturado, Icoletor < Ibase.hfe (deixa toda a corrente fuir).

Para o transistor NPN conduza precisamos que:

  • Vb < Vc, Tensão de coletor maior que tensão de base;
  • Vb ­- Ve < 0.7, Tensão de base 0,7V maior que tensão de Emissor;

Transístor em corte

Como o emissor está conectado ao GND, sua tensão é de 0V. Assim, quando a saída do Arduino estiver OV não atenderá um dos requisitos para que o transístor conduza (Tensão de Emissor o,7V maior que tensão da base). Dessa forma o transístor entrará em estado de corte.

Transístor conduzindo

Quando o Arduino estiver com 5V na saída, sendo a tensão do coletor maior que a tensão base, teremos o transístor na região ativa ou saturada. Para garantimos que quando a região estiver ativa teremos a corrente de coletor suficiente para acionar o LED precisamos dimensionar as resistências de base (R2) e de coletor )R1) corretamente.

Saída do Arduino em nível Lógico alto

Resistência R1

A resistência R1 tem função de limitar a corrente de coletor. Para acionar um LED, precisamos de uma corrente de pelo menos 10mA. Para uma tensão de 9V uma resistência de 150Ohm atende muito bem.

Aplicando a 1ª lei de Ohm considerando uma queda de tensão de 2,5V no LED e desconsiderando a queda de tensão no transístor, temos:

Icoletor-máx = (Vfonte – Queda de tensão no componente) /R = (9-2,5)V/150 Ohm =43mA

O que é suficiente para alimentar o LED.

Resistência R2

A resistência R2 tem a função de limitar a corrente de base. Sendo ela responsável por controlar a corrente que irá fluir do coletor para o emissor, temos que escolhe-la com cuidado para garantir a mínima corrente no coletor que conseguirá acender o LED.

 

Aplicando a 1ª lei de Ohm temos que a corrente de base é:

Ibase = (5-0,7)/R2 = 4,3/R2-max

Mas precisamos que a corrente de coletor seja pelo menos de 10mA, para isso temos que:

Icoletor-min ≅ Iemissor-min ≅ 10mA = 0,01A = Ibase.hfe

0,01A = Ibase-min.hfe

Considerando que estamos usando o transístor BC547A, temos que seu hfe = 110(Consultado na Folha de Dados – datasheet), dessa forma:

0,01A = Ibase.110

Ibase-min=0,01/110 = 0,00009= 0,09mA

Logo:

Ibase-min= 0,00009 = 4,3/R2

R2-max = 4,3/0,00009 =52,2KOhm

Dessa forma, devemos usar uma resistência menor que o calculado. Vamos adotar 4,7KOhm. Com esta resistência teremos:

Ibase=4,3/4,7KOhm=0,9mA

Icoletor’=Ibase.hfe

Icoletor’=0,9mA.110=99mA

Como: Ibase.hfe > Icoletor -> 99mA > 43mA, então:

Transístor Saturado

Resumo dos cálculos

Requisito

Icoletor > 10mA -> Corrente de coletor deve ser maior que 10mA quando o transístor estiver conduzindo para que o LED acenda.

Componentes

  • Fonte externa de 9V;
  • Transístor BC547A -> hfe=110;
  • R1 ->resistência que limitará a corrente de coletor, definindo a corrente máxima;
  • R2-> resistência que define a corrente de base que por sua vez define a máxima corrente de coletor.

Especificações

  • R1=150 Ohm, Limita a corrente de coletor em 43mA
  • R2 < 52,2 kOhm, adotamos R2=4,7 kOhm para corrente de base mínima de 0,09mA, logo a corrente de coletor mínima é 10mA

O que que precisa saber?

Ao projetar um circuito usando o transistor NPN, devemos:

  • Escolher qual transístor usar a partir das tensões e correntes máximas;
  • Dimensionar as resistências R1 e R2.

Para dimensionar R1, que é a resistência responsável por limitar a corrente de coletor, precisamos saber:

  • Qual a tensão da fonte;
  • Qual a queda de tensão no componente;
  • Qual a corrente necessária para que o componente controlado funcione corretamente (Icoletor-min).

Formula para calculo do R1:

Icoletor-min =(Vfonte – Queda de tensão no componente) /R1-max

R1 não deve ser muito menor que R1-max.

Para dimensionar R2, que é responsável por controlar a corrente de coletor através da corrente de base (Icoletor max = Ibase.hfe), precisamos saber:

  • Qual a corrente necessária para que o componente controlado funcione corretamente (Icoletor-min);
  • hfe do transístor escolhido.

Formula para calculo do R2:

  • Ibase = 4,3/R2-max
  • Ibase = Icoletor/hfe

 

obs.: É importante dimensionar bem a resistência para que não se restrinja demais a corrente de coletor do transístor. O ideal, para esse tipo de aplicação, é trabalharmos com o transístor saturado (Icoletor < Ibase.hfe). Para isso, geralmente escolhemos uma resistência bem menor que o R2 calculado.

Dicas

Para esse tipo de aplicação, na maioria dos casos, podemos adotar:

R1 = 150 Ohm;
R2 = 1 kOhm a 4,7 kOhm
Fonte externa até 12V para o BC547A

Circuito Transistor NPN

 

No lugar do LED podemos colocar um relé ou outro componente que consuma até 100mA, caso esteja usando o BC547A

Costumo usar na maioria das vezes os seguintes transístores NPN:

BC547A (Tensão de coletor máx =45V; Corrente de coletor máx = 100mA ; hfe=110)
BD137 (Tensão de coletor máx =60V; Corrente de coletor máx =1,5A ; Corrente de Base máx = 500mA; hfe=40)
TIP122 (Tensão de coletor máx =100V; Corrente de coletor máx = 5A ; Corrente de Base máx = 120mA; hfe= 1000)

 

Artigo gentilmente cedido por Vida de Silicio

 

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mariana guedes

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