Um componente eletrônico amplamente utilizado em circuitos de potência atualmente, leva o nome de transistor. Inventado no fim de 1947 pelos Laboratórios da Beel Telephone, seus desenvolvedores buscavam um dispositivo equivalente às válvulas eletrônicas até então existentes.
Transistor é uma palavra que resulta da junção entre dois termos que a representam, sendo intitulado “resistor de transferência” (do inglês Transfer Resistor).
Na época em que foi lançado havia fator que impedia sua propagação – o alto preço do germânio (com que era fabricado esse componente) somado ao fato do procedimento de fabricação ser complexo.
Ao longo do tempo surgiu interesse de algumas empresas mais conhecidas como Texas e Phillips em desenvolver a produção dos transistores, as quais investiram inicialmente no formato ponto de contato aos poucos abandonado, dando lugar ao conhecido transistor de junção FET como é conhecido hoje em dia.
Transistor tipo e princípio de funcionamento
Na prática os transistores utilizam uma pequena corrente elétrica que os alimenta para controlar o nível de carga em outros dois terminais integrantes.
Existem dois tipos básicos de transistor que são: transistor bipolar de junção (TBJ) e transistor de efeito de campo (FET).
‘Os transistores de efeito de campo (FET) serão apresentados em um próximo artigo, incluindo dispositivos avançados nessa categoria.
Transistor Bipolar de Junção (TBJ)
A estrutura de um TBJ corresponde a dois diodos de junção PN, representados pelas fronteiras entre os terminais que constituem o transistor.
Sabendo que um diodo opera em 3 regiões distintas que seriam de condução (polarização direta), corte (polarização reversa) e ruptura (polarização reversa), apenas a última delas não pode ser adaptada ao transistor em questão.
Representação de Transistores PNP e NPN mostrando suas regiões integrantes, incluindo as junções.
As regiões constituintes de um transistor bipolar de junção ou TBJ são: emissor, base e coletor. As junções PN que nele existem seriam as fronteiras entre os terminais que identificam esse semicondutor aonde E representa o emissor, B a base e C o coletor.
Modo de Operação do TBJ
Existem dois extremos que são regiões diferenciadas entre si pela quantidade de cargas negativas (elétrons), na configuração que define o transistor de junção.
No meio há uma zona de equilíbrio entre cargas de naturezas opostas (+ e -) que seria a região de depleção após dopados emissor e coletor, aonde o primeiro terá elétrons em grande quantidade, sendo que o coletor receberá cargas provenientes do emissor.
Na base que localiza-se entre as regiões extremas que identificam o transistor, existem portadores de carga que irão transferir os elétrons entre uma região e outra.
Apresentamos abaixo como ocorre todo o processo.
- A junção JEB (entre emissor e base) está polarizada diretamente o que reduz a região de depleção e passa a ser portanto condutora;
- Algumas cargas provenientes do emissor apenas irão ocupar pequenos espaços na região intermediária (base) em virtude de aspectos como dopagem e construção que proporciona uma menor excitação nesse meio;
- Esses elétrons combinados a lacunas constituem a corrente que flui pela base a qual chamamos de IB;
- A maior parte dos elétrons presentes na base são transportados para o coletor devido à energia acumulada nessa região, resultante da polarização de JEB. Além da distribuição dessas cargas que favorece o deslocamento. O coletor possui tal nome porque sua função é captar os elétrons enviados pelo emissor;
- Ocorre polarização reversa da junção JCB (entre coletor e base) criando campo elétrico que atrai as cargas no coletor;
- Essas cargas constituem a corrente que percorre a região do coletor, sendo que ela é bem maior que a da base, ou seja, IC >> IB;
- A base essencialmente controla o fluxo de portadores de cargas para deslocá-las entre emissor e coletor.
Configurações de um transistor (montagens)
Conhecendo um pouco mais a fundo sobre as disposições em que podemos encontrar os componentes de qualquer transistor, abordamos a seguir possíveis montagens que o definem. Ao todo existem 3 tipos fundamentais.
Arranjos de Transistor podem ser:
- Base Comum (BC)
- Emissor Comum (EC)
- Coletor Comum (CC)
O nome “comum” é referência à ligação entre a zona que identifica o componente e a terra, podendo ser qualquer uma das três por nós conhecidas e mencionando uma referência que define aonde o sinal entrará e sairá nele.
Base Comum
Entrada do Sinal: Entre emissor e base;
Saída do Sinal: Entre coletor e base;
Base é o ponto comum do qual partem e no qual chegam sinais.
Características
Ganho de corrente (Gi) menor que a unidade, ganho de tensão (Gv) elevado, resistência de entrada (RIN) baixa e resistência de saída (ROUT) alta.
Emissor Comum
Entrada do Sinal: Entre base e emissor;
Saída do Sinal: Entre coletor e emissor;
Emissor é ligado à terra sendo que dele partem duas correntes e nele chega uma terceira que seria aquela que o identifica (IE).
Características
Ganho de corrente (Gi) elevado, ganho de tensão (Gv) elevado, resistência de entrada (RIN) média e resistência de saída (ROUT) alta.
Coletor Comum
Configuração também conhecida como Seguidor de Emissor
Entrada do Sinal: Entre base e coletor;
Saída do Sinal: Do circuito de emissor;
Coletor é ligado à terra sendo que dele parte apenas uma corrente (IC) que une-se a IB constituindo a terceira corrente que escoa pelo emissor (IE).
Características
Ganho de corrente (Gi) elevado, ganho de tensão (Gv) menor que ou igual a 1, resistência de entrada (RIN) muito elevada e resistência de saída (ROUT) muito baixa.
Funcionamento do Transistor (zonas de operação)
As zonas em que opera um determinado transistor são em número de quatro: região de corte, zona ativa, região de saturação e região de ruptura.
Zona Ativa
Condições para operar nessa região:
* Junção base-emissor diretamente polarizada → VBE > tensão limiar;
* Junção base-coletor inversamente polarizada → 0 < VBC < VCC e
* 0 < VCE < VCC
Obs.: Tensão limiar é definida pelo material com que é feito o transistor, caso seja o silício, o valor dessa grandeza será de 0,6 V.
* Corrente do coletor determinada pela expressão IC = βCC x IB, onde βCC é o ganho estático de corrente do transistor (relação entre as correntes que sai pelo coletor e que entra no emissor);
* Amplificação de sinal da tensão (variável) com ganho da ordem de centenas.
Zonas de corte e saturação
Operando nas regiões de corte e saturação um transistor assume o comportamento de uma chave, ou seja, interruptor aberto ou fechado.
Em eletrônica digital essas duas situações do dispositivo a que se assemelha equivalem respectivamente a valores lógicos do tipo 0 e 1 (falso ou verdadeiro).
Na zona de corte o transistor equivale a um interruptor aberto quando no coletor a corrente será nula. Logo a tensão entre coletor e emissor, equivale a tensão contínua aplicada sobre ele (VCE = VCC). Nesse caso IB ≅ 0.
Na zona de saturação o transistor corresponde a um interruptor fechado. Dessa forma a tensão entre coletor e emissor será praticamente nula (da ordem de 0,2 V para transistores de silício) e a corrente no coletor atinge seu valor máximo limitada apenas pela resistência associada ao mesmo. IC = VCC / RC.
Temos ainda que a corrente no coletor deve ser infinitamente menor que a da base e a tensão entre base e emissor VBE será de 0,7 V para transistores de silício.
Região de ruptura (breakdown)
Existe um valor limite de tensão especificado, acima do qual o transistor sofre algum dano ou avaria. Tal valor máximo nunca poderá ser portanto ultrapassado quando da operação nessa zona.
Aplicações Comerciais de Transistores
As principais aplicações de transistores seriam como amplificadores de corrente ou tensão e como controle ON-OFF (chaves do tipo liga-desliga). A única maneira na qual o transistor é capaz de funcionar seria quando encontra-se polarizado.
Como todo componente eletrônico a tensão aplicada a eles não pode sofrer variações bruscas, dessa forma temos que definir a região em que irão operar sob corrente contínua, isso está relacionado diretamente à aplicação em que se deseja introduzi-los.
Casos de aplicação do transistor bipolar de junção
TBJ como chave
Observamos que na região de corte VBB = 0, o que implica VCE = VCC.
No estado de saturação, com a polarização direta da junção JEB e corrente na base grande o suficiente para promover uma corrente máxima no transistor, essa corrente será definida pela expressão:
Na base a corrente mínima que garante a operação do componente nesse estado deverá ser expressa por:
Conclusões
Os transistores fazem parte de inúmeros circuitos sejam analógicos ou digitais, desempenhando importante papel.
Com a evolução dos sistemas computacionais, houve a necessidade quanto a substituição das antigas válvulas que os integravam por dispositivos mais modernos e capazes de amplificar um sinal transferido.
Mediante as necessidades tecnológica surgem os transistores sendo utilizados em diversos equipamentos como rádio e televisores modernos. Sendo assim um avanço de extrema importância na eletrônica de potência, gerando sistemas com dimensões reduzidas e muito mais eficientes na transferência de corrente, pois são baseados em diodos (componentes que possuem condução unilateral e facilmente polarizáveis).
