Transistor – Um Guia Teórico e Prático


Neste artigo quero apresentar a vocês um guia resumido envolvendo a teoria e prática, acerca do componente eletrônico transistor. O transistor é um componente notável e muito conhecido no mundo da eletrônica em geral, e claro, foi um divisor de águas, revolucionando a eletrônica como um todo.

Neste guia pretendo ser o mais sucinto possível sobre o assunto. Com certeza você encontrará muito material de boa qualidade em livros e pela internet sobre questões mais minuciosas, mas não menos importantes, como a história do componente ou uma abordagem mais aprofundada sobre o processo de fabricação.

Após a teoria inicial, vamos efetivamente calcular alguns exemplos de circuitos com transistores. Veja a seguir os tópicos que vamos estudar:
 
Transistor de junção bipolar

Simbologia e Relação entre as correntes

Configurações

Regiões de Operação

Transistor como Chave

Polarização de Transistores

 

Transistor de junção bipolar (TBJ)

Antes de mais nada saiba que existem outros tipos transistores, que possuem uma estrutura e funcionamento diferente. No entanto para este guia, estaremos no baseando no tipo mais comum que é o transistor de junção bipolar.
 

Estrutura e funcionamento

A estrutura e o funcionamento de um típico transistor de junção bipolar, advém de prévios conhecimentos envolvendo os semicondutores. Como já escrevi aqui no site sobre isso, deixarei dois links abaixo para que você possa acessar e conhecer um pouco mais sobre esse assunto.

Semicondutores

Diodos

Basicamente, o transistor possui três regiões dopadas, conhecidas também como coletor, base e emissor. Ao procurar por um componente, geralmente você vai ver que pode ter dispositivos do tipo npn ou pnp.

Estas siglas estão atreladas ao componente e sua estrutura. Veja nas figuras abaixo, que um transistor do tipo npn possui uma região p entre duas regiões n. Da mesma forma, porém inversamente, o tipo pnp possui uma região n entre duas regiões p.

Transistor: Coletor Base Emissor

Figura 1 – Transistor: Coletor Base Emissor

Ao observar as figuras você pode ver que a estrutura possui duas junções, entre emissor e base, e entre o coletor e base. Desta forma a estrutura do transistor npn pode ser compreendida como dois diodos, cada um virado para o lado de fora, como na figura abaixo:

 

Transistor: Dois diodos

Figura 2 – Estrutura genérica Transistor

Se você leu o artigo sobre semicondutores, saberá então que os elétrons livres na região n se difundem e procuram se recombinar com as lacunas na região p. Esse processo resulta em uma barreira de potencial ou camada de depleção, que nos transistores de Silício possui um típico valor na faixa de 0,7 V, e 0,3 V para os de Germânio.

 

Camada de depleção ou Barreira de Potencial

Figura 3 – Camada de depleção

Como acontece

Sabendo agora destas informações, você pode ter uma dimensão geral do que ocorre internamente em um circuito. O circuito abaixo, representa uma das maneiras de polarização de um transistor. Veremos mais a frente sobre isso. De momento, apenas considere essa estrutura para compreender o funcionamento.

 

Elétrons no Transistor Funcionamento

Figura 4 – Elétrons no Transistor

Como já vimos, através do processo de dopagem o nosso emissor possui elétrons livres que tem a função de emitir os mesmos para a nossa base, que está fracamente dopada. No momento em que temos uma polarização direta, e Vbb sendo maior que a nossa barreira de potencial ou camada de depleção, os elétrons entraram na região da base.

 

Elétrons no Transistor Funcionamento

Figura 5 – Elétrons no Transistor

 

Por sua vez, a base terá o papel de passar os elétrons injetados pelo emissor para o coletor. Isso ocorre muito em função da base ser estreita e fracamente dopada, significando que esses elétrons tem um caminho curto para chegar ao coletor.

Ao chegar no coletor, eles são atraídos pela nossa fonte de tensão Vcc, circulando pelo resistor e entrando no terminal positivo da fonte. A mágica está feita, através desse entendimento podemos por exemplo, dimensionar circuitos para controle ou amplificação de sinais.

 

Elétrons no Transistor Funcionamento

Figura 6 – Elétrons no Transistor

 

Simbologia e Relação entre as Correntes

Um transistor do tipo TBJ npn e pnp pode ser representado pela simbologia conforme a figura abaixo. As correntes estão no sentido do fluxo de elétrons, se você quiser considerar o sentido convencional, utilizado em muitas literaturas, basta apenas inverter as mesmas.

 

Simbologia Transistor NPN PNP

Figura 7 – Simbologia Transistor e correntes

De acordo com o componente transistor, temos três correntes principais:

Correntes de emissor, coletor e base

Figura 8 – Correntes

 

Considerando o fluxo de elétrons, e o emissor sendo uma fonte dos mesmos, a corrente de emissor é a maior. Como os elétrons circulam para o coletor, a corrente do mesmo pode ser considerada igual a corrente do emissor. A relação das correntes no transistor, portanto ficarão da seguinte forma:

 

Correntes de emissor, coletor e base

Figura 9 – Correntes

Outro dado importante é o Beta ou hfe. Esse fator é também conhecido como ganho de corrente. Pela fórmula abaixo, você pode perceber que com apenas uma baixa corrente na base, podemos controlar uma corrente maior no coletor. Este valor do ganho, varia de componente para componente, e este valor podemos visualizar no datasheet do transistor.

Ganho/Beta transistor

Figura 10 – Ganho

Configurações

Temos três modos básicos de configuração envolvendo os transistores. A nomenclatura da configuração está relacionada com os terminais de entrada e saída, e o nome “Comum” está atrelado ao terminal que é comum tanto à entrada quanto à saída. Entre elas temos: emissor comum, base comum e coletor comum.

A topologia mais comumente utilizada é a emissor comum:

Topologia Emissor Comum

Figura 11 – Topologia Emissor Comum

 

Regiões de Operação

Vamos conhecer um pouco sobre as regiões de operação de um transistor. São elas:

Região Ativa

Região de Corte

Região de Saturação

Região de Ruptura

 

Para compreender melhor cada tipo de região de operação, observe a figura abaixo. Esta figura representa genericamente um gráfico da de Ic versus Vec de um transistor.

Regiões de Operação do Transistor

Figura 12 – Regiões de Operação

 

Fazendo um breve resumo sobre isso, temos alguns conceitos fundamentais:

Na região ativa, a corrente no coletor é constante. Ou seja, a variação da tensão do coletor não afeta a corrente do coletor. Para projeto de amplificadores devemos satisfazer a condição do componente estar operando na região ativa.

A região de corte poderia nem ser mencionada no gráfico. Há uma corrente de corte do coletor, mas geralmente é tão baixa que pode ser desprezada.

A região de saturação é a parte inclinada da curva. Nessa região não há tensão positiva suficiente para que o coletor capture os elétrons livres.

Cabe ressaltar que as regiões de corte e saturação são geralmente utilizadas em circuitos de chaveamento. Voltaremos a mencionar elas quando comentarmos sobre o funcionamento do transistor como chave.

Por fim a região de ruptura é a região em que o transistor não deve operar, pois será danificado.

 

Transistor como chave

 

O transistor como chave é muito utilizado em circuitos eletrônicos. Nestes casos o dispositivo é projetado para operar nas regiões de saturação e corte. Em outras palavras, o que você teria na saída, seria o equivalente a nível lógico baixo ou nível lógico alto.

Geralmente quando você dimensiona um circuito para funcionar desta maneira, você está querendo efetuar algum tipo de controle. Observe o circuito abaixo:

 

Transistor como chave

Figura 13 – Transistor como chave

Imagine que a chave representa o processo que você está controlando, algo que advém de um sinal que pode ou não estar chegando. Veja que:

Quando a chave estiver fechada, teremos a nossa tensão de saída próxima de 0 V, pois de acordo com o circuito e os valores dos resistores, temos o que se entende por uma saturação forte.

Quando a chave estiver aberta, a corrente cai a zero, e a tensão acaba ficando entre os terminais coletor emissor do transistor com os 10 V.

Uma regra de projeto citado em literaturas, é você utilizar a regra 10:1. Ao observar o circuito, você pode ver que a resistência de base é cerca de 10 vezes maior que a resistência do coletor. Na região de saturação o ganho de corrente é menor. Nesse sentido, um outro ponto interessante, é que se você desejar que um transistor opere nessa região, você pode escolher um resistor de base que produza um ganho saturado de 10.

Ganho saturado transistor como chave

Figura 14 – Ganho saturado transistor como chave

Desta forma, temos um circuito eletrônico que possui dois valores na saída, que podem ser compreendidos como o funcionamento do transistor como chave, atingindo basicamente dois níveis lógicos diferentes, daí a nomenclatura.

 

Polarização de Transistores

No que diz respeito a circuitos de polarização de transistores temos algumas alternativas. Alguns deles são polarização do emissor, polarização da base, polarização por divisor de tensão, polarização por realimentação do emissor, entre outros.

Vamos efetuar duas análises de duas estruturas diferentes, para compreender como devemos encontrar as equações nos circuitos.
 

Polarização da base

A estrutura genérica de um circuito de polarização de base pode ser observada abaixo:

Polarização de base transistor

Figura 15 – Polarização de base

 

A corrente de base do circuito pode ser calculada através da lei de Ohm:

Corrente de base e queda de tensão

Figura 16 – Corrente de base e queda de tensão

 

Aplicando também a Lei das tensões de Kirchhoff, você encontrará a seguinte fórmula:

Tensão e potência Equações

Figura 17 – Tensão e potência

Exemplo

Utilizando estes conceitos, vamos calcular os valores do circuito abaixo:

Circuito Exemplo transistor polarização base

Figura 18 – Circuito Exemplo

Cálculos circuito

Figura 19 – Cálculos

Simulação

Simulação corrente de base

Figura 20 – Simulação

 

Vamos aproveitar esse exemplo para apresentar outros fundamentos. Ao calcularmos os valores e IC e VEC, podemos traçar um gráfico e uma reta, denominada reta de carga.

Para representar isso graficamente, você pode rearranjar os termos das fórmulas que utilizamos anteriormente. Por exemplo vamos escrever a equação, sem colocar os valores das duas variáveis:

Pontos reta de carga

Figura 21 – Pontos reta de carga

Com isso encontraremos o nosso ponto de corte e o ponto de saturação. Traçamos então a nossa reta de carga:

 

Reta de carga transistor

Figura 22 – Reta de carga

Agora vamos colocar os valores que calculamos anteriormente para o nosso IC e VEC. Adicionando isto ao gráfico, temo o nosso ponto Q ou ponto quiescente.

Ponto Q transistor

Figura 23 – Ponto Q transistor

Nesse caso, o ponto Q pode variar de acordo com o ganho. Se tivermos diferentes valores de ganho, teremos diferentes pontos de operação. Isso mostra a sensibilidade do ponto de operação do transistor, que dependendo do ganho, poderia ir aos extremos para a saturação ou corte, o que seria prejudicial para um circuito amplificador.

 

Polarização por divisor de tensão

Muito popular, a polarização por divisor de tensão tem esse nome justamente por que tem na sua estrutura um circuito divisor de tensão o qual é conectado a base do transistor.

 

Polarização por divisor de tensão

Figura 24 – Polarização por divisor de tensão

 

Exemplo

Vamos efetuar os cálculos do circuito abaixo:

Circuito Exemplo polarização divisor de tensão

Figura 25 – Circuito Exemplo

Cálculos circuito

Figura 26 – Cálculos

Cálculos circuito

Figura 27 – Cálculos

Simulação

Simulação circuito

Figura 28 – Simulação

Exemplo 2

Neste exemplo, calcule os valores dos resistores necessários, de acordo com os dados fornecidos:

 

Circuito exemplo transistor divisor de tensão

Figura 29 – Circuito Exemplo

 

Cálculos transistor projeto

Figura 30 – Cálculos

Cálculos transistor projeto divisor de tensão

Figura 31 – Cálculos

Cálculos projeto transistor divisor de tensão

Figura 32 – Cálculos

Simulação

Simulação circuito

Figura 33 – Simulação

 

Este artigo contém apenas uma pequena parte envolvendo os transistores. Por fim gostaria de recomendar, que caso queira se aprofundar um pouco mais no assunto, consulte alguns bons livros que temos sobre o assunto na área. Citei dois deles nas referências abaixo.

 

Referências

Albert Malvino; David Bates, Eletrônica Volume I
Antonio Cipelli; Otávio Markus; Waldir Sandrini, Teoria e Desenvolvimento de Projetos de Circuitos Eletrônicos

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