Tópicos:
- Geral
- Operação do transistor
- O transistor como chave
- O transistor como amplificador
- Característica do transistor
- Circuito de exemplo com uma característica
- Transistor Darlington
Geral:
Os transistores têm 2 aplicações diferentes, eles são usados como:
- Amplificador (pense em um amplificador de áudio)
- Switch (um transistor pode comutar grandes potências muito rapidamente e é usado, entre outras coisas, em dispositivos de controle do carro).
Os transistores são controlados com corrente. Em microprocessadores, por exemplo, deseja-se manter a corrente o mais baixa possível devido ao desenvolvimento de calor. O MOSFET é frequentemente usado nisso.
Existem 2 tipos de transistores, nomeadamente o transistor NPN e o transistor PNP. Eles são descritos abaixo.
Transistor NPN:
O B significa “Base”, o C significa “Coletor” e o E significa “Emissor”.
Com o transistor NPN, a seta aponta para longe do transistor. Este transistor é frequentemente usado quando é um 'circuito de aterramento', onde o Emissor está conectado ao terra.
Transistor PNP:
Com o transistor PNP a seta aponta para o transistor. Um mnemônico útil para PNP é “Arrow to Plate”.
Operação do transistor:
Na tecnologia automotiva, o transistor é mais frequentemente usado como uma chave, por isso discutiremos isso com mais detalhes agora. Tomamos um transistor NPN como exemplo.
A imagem mostra a base à esquerda, acima do coletor e abaixo do Emissor. Quando uma corrente básica começa a fluir (seta azul), ela segue seu caminho até o Emissor. Isso também faz com que uma corrente de coletor flua para o Emissor. Assim que a corrente de base desaparece, a corrente do coletor para o emissor também para.
Se metade da corrente básica fluir, metade da corrente (em comparação com I máx.) também fluirá. É portanto claramente visível que a corrente comutada através do transistor (de C para E) é completamente dependente da altura de B.
Um transistor sempre apresenta perdas de tensão devido à transição PN. Entre a Base e o Emissor é 0,7 Volt e entre o Coletor e o Emissor 0,3 Volt.
O transistor como chave:
No exemplo a seguir, uma lâmpada de 12 volts/5 Watts é controlada com um transistor. A tensão do UB1 (fonte de tensão 1) é a tensão da bateria de 12 volts. A lâmpada está ligada à terra. A base do transistor é controlada com UB2; “a fonte de tensão 2” de 6 volts.
A tensão de perda entre Coletor – Emissor (UCE) é de 0,3 volts, e entre Base – Emissor (UBE) de 0,7 volts. Veremos isso refletido no cálculo abaixo. O fator de amplificação é definido em 200. Isso sempre pode ser diferente. O fator de ganho é a relação entre a corrente de base e a corrente Coletor-Emissor.
Um circuito deve sempre ser construído com uma certa resistência (RB no diagrama acima). Se esse resistor não existisse, o transistor falharia imediatamente. O valor que o resistor RB deve ter depende de todos os fatores; nomeadamente tensões em UB1 e UB2 e a corrente necessária para os componentes (resistências ou lâmpadas), etc. Vamos agora calcular a resistência de carga RB.
Para calcular a resistência de carga RB, primeiro deve ser calculada a resistência através da lâmpada.
Agora que a resistência RL é conhecida, a corrente de coletor (IC) pode ser calculada.
UCEsat significa “saturação”, ou seja; saturação. Assim que o transistor está conduzindo, ocorre uma queda de tensão de 0,3 volts entre os pontos C e E (Coletor – Emissor).
O próximo passo é determinar a corrente de base (IB):
Uma margem de segurança (IBK) de 1,5 x IB se aplica a cada circuito de transistor. Portanto o valor de IB deve ser multiplicado novamente por 1,5. A razão para isso será explicada mais adiante.
A corrente de base é de apenas 12% da corrente Coletor-Emissor. Agora é claramente visível que um transistor pode ser transformado em uma grande corrente principal a partir de uma pequena corrente de graves.
Agora que todas as correntes no diagrama são conhecidas, a resistência RB pode ser calculada.
UBE é a tensão entre a Base e o Emissor. Devido ao material condutor do transistor, há sempre uma queda de tensão de 0,7 Volt entre os pontos B e E.
Não existem resistores padrão com exatamente 1,74k (quilo-ohm). Portanto, um resistor padrão com valor diferente deve ser escolhido. A escolha deve ser feita entre os resistores disponíveis da série E12.
O resistor necessário de 1,74k está entre 1,5k e 1,8k. Nesse caso, deverá ser escolhido o menor valor de resistência; por 1,5k. Isto é para garantir que o envelhecimento e o desgaste dos componentes não afetem as correntes no circuito.
O transistor como amplificador:
O transistor pode ser usado como amplificador. A corrente de base pode ser alterada girando um potenciômetro. Variando a corrente de base, a tensão de ganho e, portanto, a tensão através do coletor-emissor, muda.
Característica do transistor:
Uma característica pode ser feita de um transistor NPN, veja a imagem abaixo:
1º quadrante (canto superior direito) = UCE – IC
A linha sobe até 0,3 volts. Esta área é UCEsat (saturação do transistor). Depois disso, a linha corre quase horizontalmente.
2º quadrante (canto superior esquerdo) = IB – IC
A conexão entre UB e IC é indicada aqui. IC = HFE x IB, com esta característica HFE= 10, então IC é 10 vezes maior que IB. O fator de segurança IB = 1,5 x IBK ainda não foi levado em consideração.
3º quadrante (canto inferior esquerdo) = UBE – IB
A queda de tensão entre a base e o emissor de um transistor é a tensão limite de um diodo. A tensão limite é de 0,7 Volt. A partir desta tensão o transistor começa a conduzir e a corrente de base IB começa a fluir. Isso também pode ser atribuído à característica.
Circuito de exemplo com uma característica:
Agora é hora de um exemplo de circuito (simples) com uma característica de transistor associada. O IB = 1,5 x IBK está incluído aqui, resultando em uma linha horizontal no eixo do IB. No circuito abaixo, UB1 é a tensão da bateria e UBE (tensão Base-Emissor) vem de uma chave ou sinal em um dispositivo de controle. Para calcular a corrente no UBE, primeiro deve-se calcular a corrente IC (corrente do coletor);
Agora sabemos que uma corrente de 15mA deve fluir na base do transistor para que o transistor (com os mencionados UB1 e RB) conduza totalmente, incluindo o fator de segurança. A característica pode então ser completada:
Nesta característica pode-se observar que a IB (corrente na base) aumenta para 10mA. Esta parte, de 0 a 10 mA, é calculada com a fórmula: IB = IC : HFE. A linha então corre completamente horizontalmente de 10 a 15mA. Esta parte é o fator de ganho de 1,5 (do cálculo de IB = 1,5 x IBK). Com uma corrente de base de 15mA, flui uma corrente de coletor (IC) de 1000mA.
Os transistores são controlados com corrente. Em microprocessadores, por exemplo, deseja-se manter a corrente o mais baixa possível devido ao desenvolvimento de calor. Isto muitas vezes inclui o MOSFET dedo do pé.
Transistor Darlington:
Um dispositivo de controle envia uma corrente de base para o transistor. Um transistor pode se tornar condutor por um dispositivo de controle com uma corrente de 0,1 a 0,5 mA. Quando queremos controlar um atuador que requer uma corrente elevada, a ECU não consegue fornecer a corrente necessária para o transistor. A corrente primária de uma bobina de ignição é de aproximadamente 8 amperes. A corrente de controle terá que ser amplificada para tornar o transistor condutivo. Isso causa um problema: o microprocessador não consegue fornecer a corrente desejada para o transistor.
Por meio de um transistor Darlington, uma pequena corrente de controle da ECU pode ser usada para comutar uma grande corrente para o atuador.
O transistor Darlington é composto de dois transistores conectados em um único invólucro.
A corrente coletor-emissor de T1 fornece a corrente de base de T2. Isto resulta em um grande fator de ganho, porque os fatores de ganho de ambos os transistores podem ser multiplicados juntos.
Uma corrente de base muito pequena de T1 (apenas um décimo de miliampere) é muitas vezes suficiente para tornar T2 condutivo.
O fator de ganho de corrente (Hfed) do transistor Darlington costuma estar entre 1000 e 10.000. A fórmula para calcular o fator de ganho de um transistor Darlington é:
Hfed = Hfe1 * Hfe2
- Vantagem: graças ao grande fator de amplificação de corrente (Hfed), uma pequena corrente de controle pode ser suficiente para tornar o transistor Darlington condutivo;
- Desvantagem: A tensão base-emissor do circuito Darlington é duas vezes maior que a de um único transistor. A queda de tensão do transistor Darlington é, portanto, consideravelmente maior que a de um único transistor.
Na seção “Sinais de saída” da página Circuitos de interface exemplos e aplicações do transistor Darlington são fornecidos.
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