Já começamos a falar sobre os componentes mais comuns que encontramos na eletrônica analógica no artigo Fundamentos da Eletrônica Analógica. Agora vamos dar continuidade no assunto e aprofundar mais ainda em um dos componentes essenciais e mais complexos encontrados na eletrônica analógica: os Transistores. Neste post você vai entender melhor o que é um transistor.
Se tornaram populares a partir dos anos 50, já que foram descobertos em 1948 por três cientistas norte-americanos, que por acaso, acharam um cristal de semicondutores e através deste, realizaram dois tipos de junções. Durante as pesquisas com a nova descoberta, percebeu-se a capacidade de fazer amplificações parecidas com as das válvulas de tríodo. Assim, as válvulas eletrônicas foram substituídas pelos transistores, pois além de se ter um custo de fabricação menor, ele gasta menos energia que as válvulas.
Esse pequeno componente é tão importante que atualmente todos os eletrônicos o possuem em sua composição, tornando-o insubstituível e necessário para conhecimento básico de um profissional e/ou entusiasta do ramo da eletrônica. Os cientistas que realizaram esta descoberta magnífica, receberam o prêmio Nobel da Física no ano de 1956.
O que é um Transistor?
Os transistores são semicondutores, que normalmente são feitos de silício ou germânio. Esse componente possui três terminais de ligação que são conhecidos como: base, emissor e coletor. Suas principais funções são como amplificadores, atenuadores, osciladores, retificadores, comutadores e interruptores e são usados com bastante frequência em circuitos eletrônicos, chips de computadores e smartphones.
Existem vários tipos de transistores, e todos eles conseguem controlar a passagem dos elétrons em seu interior, mas cada um opera esse controle de um jeito. Para amplificar, conduzir ou cortar o sinal da corrente elétrica, os elementos semicondutores são dopados com materiais que podem fornecer cargas elétricas extras e isso contribui para uma melhor condução da eletricidade.
Quando o transistor opera como um amplificador, ele amplifica uma corrente elétrica, os transistores precisam ser alimentados com uma baixa corrente elétrica de entrada, para então amplificar essa corrente, gerando uma corrente de saída com maior intensidade. O microfone é um perfeito exemplo dessa utilização, onde temos o som sendo captado pelo microfone (corrente de baixa intensidade), e depois, essa corrente passa pelos transistores, produzindo o sinal elétrico mais intenso, que é ligado aos alto-falantes de uma caixa de som.
Para o transistor operar como chave, ele consegue ligar e desligar cargas de maior potência com a recepção de sinais de baixa amplitude. Podemos citar os transistores utilizados em inversores de frequência (chaveamento liga/desliga) e o acionamento de um motor com PWM como operações que utilizam desse artifício.
Os transistores mais utilizados são os NPN e PNP do tipo BC548 e BC558. A diferença entre eles está em suas características nominais, que são encontradas em seus respectivos datasheets. Esses transistores BCs tem um uso geral em circuitos que se utilizam de osciladores, amplificadores de áudio e excitadores de LEDs.
Tipos de Transistores
Os principais tipos de transistores são:
Transistor Bipolar de Junção
O TBJ (transistor bipolar de junção), tem esse nome por causa das duas junções PN combinadas, que vão envolver tanto as cargas positivas quanto as cargas negativas no processo de condução. O material do tipo P depende de portadores de cargas positivas (lacunas) e o material do tipo N depende de portadores de cargas negativas (elétrons). E podemos dividir entre os transistores NPN e PNP. O NPN possui uma corrente composta majoritariamente por elétrons, enquanto o PNP é composto majoritariamente por cargas positivas.
A estrutura do TBJ é composta por três terminais que são conhecidos como coletor, base e emissor. O posicionamento destes terminais pode variar de acordo com cada tipo de transistor e fabricante, por isso, pode ser preciso olhar o datasheet do respectivo componente, porém didaticamente o TBJ é representado assim (observe que a seta na simbologia sempre aponta para a região do material do tipo N):
O terminal da base tem a função de controlar a condução de corrente elétrica, enquanto os terminais do emissor e do coletor são responsáveis pela entrada e saída do fluxo de corrente.
Como o TBJ é feito com três camadas alternadas, podemos formar dois tipos de junções (base-coletor e base-emissor). Quando polarizamos o transistor de maneira correta, as junções PN podem ser consideradas como dois diodos, então, o base-coletor é considerado um diodo polarizado inversamente e o base-emissor um diodo polarizado diretamente.
O TBJ é capaz de operar entre três regiões diferentes, que dependem do tipo de polarização que é aplicada entre os terminais do transistor. Essas três regiões de operação são: Região Ativa, Região de Corte e Região de Saturação.
O modo de operação da Região Ativa acontece quando a junção base-emissor está diretamente polarizada e a junção base-coletor está inversamente polarizada. O controle da corrente do coletor, nessa situação, é feito a partir da corrente da base e ganho β.
Já o modo de operação da Região de Corte, se dá quando as duas junções do transistor estão inversamente polarizadas, assim, gerando a ausência de circulação de corrente entre coletor e emissor, funcionando como uma chave aberta.
A última região, a Região de Saturação, ocorre quando a junção base-coletor e base-emissor estão diretamente polarizadas. Assim, a corrente do coletor atinge o seu valor máximo independente da corrente da base ou do ganho β, funcionando como uma chave fechada.
Existe ainda um último modo de operação que é o de Ruptura, ele ocorre quando a corrente do coletor e a tensão entre a junção coletor-emissor excedem o valor máximo especificado, assim resultando em danos ao transistor.
Transistor de Efeito de Campo
Esse tipo de transistor é também conhecido como FET (Field Effect Transistor). A principal diferença entre o TBJ e o FET, é o tipo de controle, pois enquanto o TBJ é controlado por corrente, o controle do FET é por tensão, então, conforme a tensão é aplicada no seu gate (terminal de controle), temos a capacidade de controlar o valor da corrente.
Os outros dois terminais do FET são o source (fonte) e o drain (dreno). Analogicamente, o gate seria a base, o source é o emissor e o drain possui a mesma função do coletor. Ele é considerado um transistor unipolar pois trabalha apenas com um tipo de carga por vez, e por isso e outras características, temos dois tipos de FET’s, que são o JFET e o MOSFET
O JFET (Junction Field Effect Transistor), significa Junção de Efeito de Campo. O MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), significa Transistor de Efeito de Campo de Metal Oxido Semicondutor. Nesse tipo de transistor, podemos ramificar em dois outros tipos, que são o MOSFET tipo Depleção e MOSFET tipo intensificação. Uma das possíveis diferenciações entre os transistores citados acima com o transistor TBJ, é que eles são mais compactos e possuem uma alta impedância de entrada, e por isso eles não atuam em função da corrente, e sim da tensão.
Exemplo de utilização de transistores
Um exemplo para melhor compreensão é na aplicação como amplificadores, onde o transistor é o componente principal, e existem três configurações bases: Base comum, Coletor comum e Emissor comum. Nesse caso, um dos terminais deve ser comum aos outros dois tanto para as conexões de entrada como para as de saída. Cada característica das configurações citadas acima, está exemplificada na tabela abaixo.
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