Transistores: Como Funcionam e Como Usá-los como Chave e Amplificador

Um transistor é um dispositivo semicondutor com três terminais. Uma corrente ou tensão pequena em um terminal controla uma corrente muito maior entre os outros dois. Essa ideia simples torna o transistor a base de amplificadores, chaves e praticamente todo chip digital. Este artigo explica como funciona o transistor bipolar de junção (BJT), como ler os pinos e os encapsulamentos, como polarizá-lo, como calcular o resistor de base para usá-lo como chave, como usá-lo como amplificador simples, como acionar cargas a partir de um microcontrolador e o que verificar antes de usá-lo.

O que você precisa

Você deve entender a lei de Ohm, os artigos de LED e resistor deste site e como calcular potência. Uma bateria de 9 V ou uma fonte USB de 5 V, um transistor NPN de uso geral para sinais pequenos, alguns resistores, um LED e um multímetro são suficientes para testar os exemplos. Sempre confira a ordem dos pinos na folha de dados do seu componente antes de ligá-lo, porque encapsulamentos com a mesma forma podem ter pinagens diferentes.

Ilustração

Tópico 1: O que o transistor faz

O transistor bipolar de junção tem três camadas de silício dopado que formam duas junções. Seus três terminais são base (B), coletor (C) e emissor (E). No transistor NPN, uma pequena corrente que entra pela base permite que uma corrente muito maior flua do coletor para o emissor. O transistor PNP funciona da mesma forma, mas com polaridade e sentido da corrente invertidos.

Ganho de corrente

A razão entre a corrente de coletor e a corrente de base é chamada de ganho de corrente, escrito como β (beta) ou hFE. Um transistor NPN de sinal pequeno comum tem ganho entre cerca de 100 e 300. Assim, uma corrente de base de 0,1 mA pode controlar uma corrente de coletor de cerca de 10 mA. O ganho varia de componente para componente e muda com a temperatura e a corrente, então um circuito não deve depender de um valor exato.

Tensão base-emissor

Um transistor de silício começa a conduzir quando a base está cerca de 0,6 a 0,7 V acima do emissor. Abaixo dessa tensão quase nenhuma corrente entra na base, e o transistor fica desligado. Depois que conduz, a tensão base-emissor permanece perto de 0,7 V, por isso um resistor de base é necessário para controlar a corrente.

Dois modos de uso

O transistor pode operar em duas regiões. Na região linear ele atua como amplificador, com a corrente de coletor proporcional à corrente de base. Na saturação ou no corte, ele atua como chave, totalmente ligado com tensão quase nula entre seus terminais, ou totalmente desligado sem corrente. A maioria dos circuitos práticos o usa como chave ou como amplificador linear, mas não os dois ao mesmo tempo.

Tópico 2: Encapsulamento, pinos e polaridade

Transistores vêm em muitos encapsulamentos. A forma indica quanta potência o componente suporta e como ele é montado, mas a ordem dos pinos não é a mesma para todos. Sempre leia a ordem dos pinos na folha de dados e na marcação do componente, e não apenas pela forma.

Encapsulamentos de sinal pequeno

O TO-92 é um pequeno componente plástico, preto ou azul, com três terminais, comum em trabalhos de baixa potência. SOT-23 e SOT-223 são componentes de montagem superficial soldados rentes à placa. A etiqueta na foto do TO-92 mostra E, B, C da esquerda para a direita com a face plana voltada para você, que é uma disposição comum para esse tipo, mas outros componentes podem ser diferentes.

Encapsulamentos de potência

O TO-220 é um componente plástico com uma aba metálica que é parafusada em um dissipador. O TO-247 é uma versão maior para potências mais altas. TO-3 e TO-39 são latas metálicas, e o corpo metálico costuma ser o coletor. Um transistor de potência que não está montado em um dissipador esquenta rapidamente, mesmo com correntes moderadas.

Lendo os pinos

Confira a folha de dados para a ordem dos pinos antes de soldar ou conectar qualquer fio. Na foto, o componente TO-247 está marcado B, C, E da esquerda para a direita com a face voltada para você, o que é diferente da ordem do TO-92. Ligar os pinos na ordem errada na melhor das hipóteses não funciona, e na pior danifica o componente.

Tópico 3: Polarizando o transistor

Polarizar significa ajustar a corrente de base para que o transistor fique na região desejada. O resistor de base define essa corrente, e o mesmo resistor determina se o transistor fica totalmente ligado ou apenas parcialmente ligado.

Resistor de base

A corrente de base é I_B = (V_in − V_BE) ÷ R_B, com V_BE de cerca de 0,7 V para o silício. Uma corrente de base maior empurra o transistor para mais perto da saturação total, mas a corrente que entra na base precisa ser limitada. Um resistor entre a entrada e a base define esse valor.

Saturação

Para ligar uma carga totalmente, a corrente de base precisa ser grande o suficiente para que a corrente de coletor passe com uma tensão muito pequena entre os terminais do transistor. A regra prática é usar uma corrente de base de cerca de um décimo da corrente de coletor. Esse valor é bem menor que um ganho de 100, mas dá uma margem segura para diferenças entre componentes.

Calor no transistor

Quando o transistor está totalmente ligado, a tensão entre seus terminais (V_CE) é pequena, em torno de 0,2 V. A potência dissipada é V_CE × I_C, então 0,2 V com 100 mA resultam em 0,02 W. Na região linear, a tensão entre os terminais é maior e a potência pode ser bem mais alta, por isso o modo linear é mais exigente para o componente.

Tópico 4: Calculando o resistor de base para uma chave

O uso mais simples do transistor é como chave entre a carga e o terra. Um microcontrolador ou um sinal lógico controla a base, e o transistor conduz a corrente da carga. O cálculo segue alguns passos.

Passos

Primeiro escolha a corrente da carga I_C. Em seguida escolha a corrente de base I_B = I_C ÷ 10 para garantir a saturação. Depois calcule R_B = (V_in − 0,7) ÷ I_B. Por fim, escolha o valor padrão mais próximo que dê uma corrente de base pelo menos igual a esse valor, e confira a potência no resistor.

Microcontrolador de 3,3 V acionando um LED

Para acender um LED que precisa de 20 mA, use I_B = 2 mA. R_B = (3,3 − 0,7) ÷ 0,002 = 1.300 Ω. O valor padrão mais próximo é 1,2 kΩ, que dá 2,17 mA. O LED é ligado da alimentação ao coletor pelo seu próprio resistor, então o transistor conduz apenas a corrente do LED.

Fonte de 5 V acionando uma carga de 100 mA

Para uma carga de 100 mA a partir de um sinal lógico de 5 V, use I_B = 10 mA. R_B = (5 − 0,7) ÷ 0,01 = 430 Ω, então 470 Ω é um valor padrão seguro. A corrente de coletor é 100 mA e o transistor dissipa cerca de 0,02 W quando está totalmente ligado. Confira o ganho do seu transistor, e use o valor 10 ou mais para forçar a saturação.

Tópico 5: Transistor como amplificador simples

Na região linear, a corrente de coletor segue a corrente de base, então um pequeno sinal na base vira um sinal maior no coletor. Esse é o princípio do amplificador, embora amplificadores práticos precisem de uma rede de polarização que mantenha o transistor na região linear.

Ganho

Com ganho de corrente de 100, uma variação de 10 µA na corrente de base produz uma variação de 1 mA na corrente de coletor. Se um resistor de carga de 1 kΩ estiver no coletor, a variação de tensão é 1 mA × 1 kΩ = 1 V. O ganho de tensão depende da resistência de carga e das características internas do transistor, então isto é uma visão simplificada.

Mantendo a linearidade

Um amplificador a transistor só funciona se a base estiver polarizada na tensão correta, para que a saída oscile nos dois sentidos sem ser cortada. Uma abordagem comum usa um divisor de tensão na base e um resistor no emissor, que estabiliza o ponto de operação contra variações de ganho e de temperatura.

Quando usar um amplificador

Use um amplificador a transistor para sinais fracos, como os de um microfone ou de um sensor, antes que o sinal entre em um circuito maior. Para controlar uma carga, o transistor quase sempre é usado como chave, porque dissipa menos potência.

Tópico 6: Acionando cargas a partir de um microcontrolador

Um pino de microcontrolador pode acender um LED pequeno diretamente, mas motores, relés e lâmpadas exigem um transistor, um MOSFET ou um CI driver. O pino funciona como controle, e o transistor é o caminho da potência.

Limite de corrente do pino

Os pinos de microcontroladores são projetados para cerca de 20 mA ou menos, e o chip tem um limite total de corrente. Mantenha a corrente da carga bem abaixo desse limite, e nunca acione um motor ou a bobina de um relé diretamente de um pino sem um transistor.

Diodo de roda livre para cargas indutivas

Relés e bobinas de motores armazenam energia em um campo magnético, e quando o transistor os desliga, a bobina gera um pico de tensão alto. Um diodo ligado em paralelo com a bobina, com o catodo na alimentação positiva, absorve esse pico e protege o transistor.

Transistores de nível lógico

Um transistor padrão precisa de cerca de 0,7 V na base e às vezes de mais corrente de base do que o microcontrolador consegue fornecer. Um MOSFET de nível lógico costuma ser a escolha melhor para controladores de 3,3 V ou 5 V, porque liga totalmente com uma tensão de porta pequena.

Tópico 7: Medição e erros comuns

Transistores costumam ser danificados por pinagem errada, falta do resistor de base, superaquecimento ou polaridade invertida. Algumas verificações antes e depois de montar o circuito evitam a maioria dos problemas.

Testando com o multímetro

Use o teste de diodo entre cada par de pinos. Entre base e emissor, e entre base e coletor, um transistor NPN bom mostra uma queda direta de cerca de 0,6 a 0,7 V em um sentido e circuito aberto no sentido oposto. Um transistor que mostra curto-circuito nos dois sentidos está danificado. Esse teste não mede o ganho, então consulte a folha de dados se precisar desse valor.

Erros comuns

Erros comuns incluem ligar os pinos na ordem errada, esquecer o resistor de base, usar um transistor PNP quando o circuito precisa de um NPN, esquecer o diodo de roda livre em uma bobina e montar um transistor de potência sem dissipador ou pasta térmica.

Confira o ponto de operação

Depois de montar o circuito, meça a tensão na base, no coletor e no emissor. Quando o transistor está totalmente ligado, a tensão do coletor deve ficar próxima da tensão do emissor, e a tensão da base deve estar cerca de 0,7 V acima do emissor. Se os valores estiverem muito diferentes, confira primeiro a fiação e os valores dos resistores.

Prática na protoboard

Monte um pequeno circuito com um transistor NPN, meça as tensões e compare com os seus cálculos. Use uma fonte de 5 V ou 9 V, um transistor NPN de sinal pequeno, um LED, resistores de 470 Ω, 1,2 kΩ e 10 kΩ, uma protoboard e um multímetro.

1. Use o teste de diodo no transistor para encontrar base, emissor e coletor, depois confira a tensão direta entre base e emissor.

2. Monte o circuito chave deste artigo para o LED com I_B = 2 mA, depois confirme que o LED acende totalmente e que a tensão do coletor fica perto de 0 V.

3. Troque o resistor de base por 10 kΩ e confirme que o LED fica mais fraco. Explique a mudança com a fórmula da corrente de base.

4. Meça a tensão base-emissor enquanto o transistor conduz, e compare com 0,7 V.

5. Monte um estágio amplificador com um resistor de coletor de 1 kΩ, depois meça como a tensão do coletor muda quando você varia um pouco a tensão da base.

Próximos passos

Depois do transistor, estude o MOSFET, que é controlado por tensão e é a escolha padrão para acionar motores e fitas de LED com correntes maiores. Em seguida, estude amplificadores operacionais e lógica digital, que também usam transistores internamente. Registre cada cálculo e confira a folha de dados de cada transistor antes de ligar o circuito.

Resumo

O transistor usa uma pequena corrente de base para controlar uma corrente de coletor maior. Como chave, ele liga totalmente ou desliga totalmente, e seu resistor de base é calculado com R_B = (V_in − 0,7) ÷ I_B, com corrente de base cerca de um décimo da corrente de coletor. Como amplificador, ele trabalha na região linear com a polarização correta. Confira a pinagem do seu encapsulamento, coloque um diodo de roda livre em bobinas e mantenha a potência dentro da nominal do componente.