Questão de Engenharia Elétrica · FCC TRT5 2022 (nº 56)

Para acionar uma carga como um motor usando um transistor BJT (Bipolar Junction Transistor) como chave, é preciso garantir que uma corrente suficiente flua para a base do transistor. Essa corrente de base ($I_B$) controla uma corrente muito maior que passa pelo motor (corrente de coletor, $I_C$), permitindo que o motor receba a energia necessária para funcionar corretamente. Se a corrente de base for muito pequena, o transistor não liga completamente (não satura), e o motor não recebe a corrente total de que precisa, girando mais devagar.

(A) Incorreta: Um resistor de base de $220 \text{ k}\Omega$ seria dez vezes maior que o valor original de $22 \text{ k}\Omega$. Isso faria a corrente de base ($I_B$) ser ainda menor, o que resultaria em uma corrente de coletor ($I_C$) ainda mais baixa para o motor, fazendo-o girar mais lentamente ou nem mesmo ligar.

(B) Incorreta: O diodo de proteção (também conhecido como diodo de flyback ou roda livre) é colocado em paralelo com a carga indutiva (o motor) e é projetado para estar polarizado reversamente (não conduzindo) quando o transistor está ligado. Sua função é proteger o transistor de picos de tensão quando ele desliga. Sua polarização reversa durante a operação normal é correta e não explica a baixa rotação do motor.

(C) Incorreta: Se a junção base-coletor estivesse rompida, o transistor não conseguiria conduzir corrente do coletor para o emissor. Isso significaria que o motor não receberia corrente alguma e não giraria, o que contradiz a observação de que ele está girando, mesmo que lentamente.

(D) Incorreta: Se a junção base-emissor estivesse rompida, nenhuma corrente de base ($I_B$) poderia fluir. Sem corrente de base, o transistor não ligaria, e o motor não receberia corrente, não girando em absoluto. A observação é que o motor gira, mas lentamente.

(E) Correta: O problema indica que o motor precisa de $200 \text{ mA}$ à plena carga. Com o resistor de base original de $22 \text{ k}\Omega$, a corrente de base ($I_B$) seria calculada por $I_B = (V_{in} - V_{BE}) / R_B$. Assumindo $V_{BE} \approx 0.7 \text{ V}$ para um transistor NPN ligado, $I_B = (5 \text{ V} - 0.7 \text{ V}) / 22 \text{ k}\Omega = 4.3 \text{ V} / 22000 \Omega \approx 0.195 \text{ mA}$. Para que o transistor conduza $200 \text{ mA}$ no coletor, ele precisaria de um ganho de corrente ($\beta$) de aproximadamente $\beta = I_C / I_B = 200 \text{ mA} / 0.195 \text{ mA} \approx 1025$, o que é um valor irrealmente alto para a maioria dos transistores de uso geral. Isso significa que o transistor não está saturando e não está fornecendo a corrente necessária ao motor.
Se o resistor de base fosse $2.2 \text{ k}\Omega$ (2k2 $\Omega$), a corrente de base seria $I_B = 4.3 \text{ V} / 2.2 \text{ k}\Omega = 4.3 \text{ V} / 2200 \Omega \approx 1.95 \text{ mA}$. Com essa corrente de base, um transistor com um ganho de corrente ($\beta$) de apenas 100 (um valor comum) já seria capaz de fornecer $I_C = \beta \cdot I_B = 100 \cdot 1.95 \text{ mA} = 195 \text{ mA}$, que é muito próximo dos $200 \text{ mA}$ necessários. Assim, diminuir o resistor de base em dez vezes (de $22 \text{ k}\Omega$ para $2.2 \text{ k}\Omega$) aumenta a corrente de base o suficiente para saturar o transistor e permitir que o motor receba a corrente adequada, atingindo a rotação esperada.