ELETRÔNICA INTERMEDIÁRIA

Transistores

O diodo é o dispositivo semicondutor mais simples, assim como alguns componentes, derivados que estudamos já que possuem uma única junção.

Novos dispositivos semicondutores mais complexos foram desenvolvidos a partir dos diodos.

O transistor que possui 2 junções semicondutoras é utilizado na maioria dos projetos eletrônicos, e sem ele  a construção  dos computadores não seria possível.

Realizando funções importantes como a amplificação de sinais, a produção de sinais, o controle de diversos dispositivos como chave eletrônica no processamento de dados, o transistor está presente em todos os equipamentos eletrônicos.

Conhecendo o transistor, poderemos ter uma atuação prática na eletrônica muito mais intensa com o entendimento um pouco mais profundo de algumas funções de circuitos.

A palavra transistor vem de “transference resistor”, um dispositivo anunciado pelos pesquisadores Bardeen, Brattain e Shockley, nos Estados Unidos, nos laboratórios da Bell Telephone, em junho de 1948.

O transistor original que era do tipo “ponto de contato”, logo foi aperfeiçoado com a elaboração de novos dispositivos, muitos dos quais até hoje são utilizados amplamente nas aplicações práticas.

A capacidade do transistor amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo este dispositivo, muito menor e consumido muito menos energia, aplicações eletrônicas, conforme mostra a figura 1.

O transistor, diferentemente das válvulas, não necessita de uma corrente adicional para aquece-lo e é muito menor que a válvula “equivalente”.


Figura 1

Para entender como funciona um transistor vamos partir de sua estrutura básica mostrada na figura 2.


Figura 2

Conforme podemos ver, para obter uma estrutura equivalente a um transistor devemos “empilhar” ou “formar” três regiões semicondutoras de polaridades alternadas de modo que entre elas existam duas junções.

As regiões semicondutoras receberão os nomes de emissor (E), base (B), coletor (C).

Podemos obter a estrutura indicada de duas formas diferentes, o que leva a dois tipos de transistores.

Podemos formar regiões na seqüência N-P-N ou P-N-P.

Para efeito do estudo inicial vamos tomar como exemplo uma estrutura N-P-N, ou seja, um transistor N-P-N.

Cada uma das junções do transistor se comporta como um diodo, mas quando aplicamos tensões no dispositivo de determinada maneira e as duas junções podem entrar em ação ao mesmo tempo, o comportamento da estrutura passa a ser um pouco mais complexo do que simplesmente dois diodos ligados juntos.

Para que tenhamos a ação diferenciada destas junções, vamos partir da situação em que o transistor seja alimentado com fontes externas de determinadas polaridades e características.

Em suma, para que o transistor funcione, precisamos “polarizá-lo” convenientemente.

Faremos uma polarização que nos permite apenas estudar o seu funcionamento. 

Existem diversas outras maneiras de polarizar o transistor.

Tomando o nosso transistor NPN como exemplo.

Para polariza-lo ligamos uma bateria de tensão maior (B2) entre o coletor e o emissor e uma bateria menor (B1) através de um potenciômetro na sua base, conforme mostra a figura 3.


Figura 3

Vejamos então o que ocorre.

Polarização

Partimos inicialmente da condição em que o cursor do potenciômetro está todo para o lado negativo da bateria B1, ou seja, a tensão aplicada à base do transistor é 0.

Nestas condições, a junção que existe entre a base e o emissor, que seria o percurso para uma corrente da bateria B1 , não tem polarização alguma e nenhuma corrente pode fluir.

A corrente de base do transistor é zero.

Da mesma forma, nestas condições a corrente entre o coletor e o emissor do transistor, percurso natural para a corrente da bateria B2 é nula, conforme mostra a figura 4.


Figura 4

Movimentando gradualmente o cursor do potenciômetro no sentido de aumentar a tensão aplicada à base do transistor, vemos que nada ocorre de anormal até atingirmos o ponto em que a barreira de potencial da junção emissor – base do transistor é vencida.

A tensão que precisamos para iniciar a condução é a mesma que estudamos no caso dos diodos. Precisamos de aproximadamente 0,6 V se o transistor for de silício. 

Com uma tensão desta ordem, começa a circular uma pequena corrente entre a base e o emissor. 

Esta corrente entretanto tem um efeito interessante sobre o transistor:

uma corrente também começa a circular entre o coletor e o emissor e esta corrente é proporcional à corrente de base, conforme mostra a figura 5.


Figura 5

A medida que movimentamos mais o potenciômetro no sentido de aumentar a corrente de base, observamos que a corrente do coletor do transistor aumenta na mesma proporção.

Se uma corrente de base de 0,1 mA provoca uma corrente de coletor de 10mA, dizemos que o ganho de corrente ou fator de amplificação do transistor é 100 vezes.

A corrente de coletor é 100 vezes maior que a corrente de base.

A proporcionalidade entre a corrente de base e a corrente de coletor não se mantém em toda a faixa possível de valores.

Existe um ponto em que um aumento de corrente de base não provoca mais um aumento na corrente de coletor que então se estabiliza.

Dizemos que chegamos ao ponto de saturação, ou seja, o transistor “satura”.  

Observe então que existe um trecho linear deste gráfico que é denominado “curva característica do transistor”, em que existe uma proporção direta entre a corrente de base e a corrente de emissor que elas provocam.

Transistores comuns podem apresentar “ganhos” de corrente entre 2 e 100, dependendo do modo como são fabricados e a finalidade a que se destinam.

O que vimos nestas explicações é que a corrente contínua do coletor do transistor na verdade consiste numa corrente contínua aplicada à base que é amplificada.

No entanto, podemos levar um pouco adiante nosso raciocínio e analisar o que ocorre se aplicarmos uma corrente contínua aplicada à base que é amplificada.

No entanto, podemos levar um pouco adiante nosso raciocínio e analisar o que ocorre se aplicarmos uma corrente alternada à base do transistor, ou seja, um sinal que pode vir de um microfone, por exemplo.

Para isso, ajustamos inicialmente o potenciômetro que polariza a base do transistor através de B1 de modo que ele aplique uma corrente que fique a meio caminho da saturação, conforme mostra a figura 6.


Figura 6

Aplicando então um sinal senoidal na base do transistor, ele vai provocar variações desta corrente no sentido de aumentá-la e diminuí-la em torno do valor previamente fixado.

O resultado é que a corrente obtida no coletor também vai variar acompanhando a corrente de base, mas numa proporção muito maior, pois o transistor “amplifica” a corrente.

Teremos então uma amplificação do sinal conforme mostra a figura 7.


Figura 7

Na prática, os circuitos amplificadores com transistores levam componentes adicionais tanto para limitar como para estabelecer as correntes em cada eletrodo (terminal) do transistor como ainda para fazer com que os sinais cheguem até os pontos desejados.

São usados então resistores e capacitores nestes circuitos.

Na figura 8 temos o funcionamento de um transistor PNP observando-se que a única diferença em relação ao transistor NPN está no sentido de circulação das correntes e portanto na polaridade das baterias usadas.


Figura 8

A presença de resistores nos circuitos com transistores nos leva a uma análise um pouco mais profunda de suas aplicações na eletrônica.

Para isso vamos tomar inicialmente o circuito mostrado na figura 9.


Figura 9

Neste circuito, a corrente no coletor é limitada por um resistor de carga ou resistor de coletor Rc. 

Este resistor impede que a corrente suba muito no coletor do transistor quando na aplicação de uma corrente de base mais alta, e com isso o componente venha a se queimar.

A corrente na base do transistor é determinada na condição de repouso por um resistor de polarização de base. 

Como a corrente de base é muito menor que a corrente de coletor, o resistor usado na base do transistor tem valor muito maior que o ligado ao coletor.

Vamos supor que o resistor colocado para polarizar a base do transistor tenha tal valor que a corrente que circule no resistor de carga (Rc) provoque uma queda de tensão neste componente igual à metade da tensão de alimentação.

Isso significa que teremos no coletor do transistor, na condição de ausência de sinal, uma tensão fixa igual à metade da tensão de alimentação, conforme mostra a figura 10.


Figura 10

Quando aplicamos na entrada do circuito, ou seja, na sua base um sinal senoidal de pequena intensidade, conforme sejam os semiciclos positivos ou negativos, haverá um aumento ou diminuição da corrente de base.

Assim, nos semiciclos positivos,  a corrente de base aumenta, pois temos a soma da corrente do sinal com a de polarização, e com isso a corrente de coletor tende aumentar.

É como se o transistor passasse a apresentar uma resistência menor entre o coletor e o emissor.

O resultado é que, acompanhando este aumento da corrente de coletor temos uma queda de tensão neste mesmo elemento.

Por outro lado, nos semiciclos negativos, a corrente de base diminui e o resultado é um aumento da resistência que o transistor passa a apresentar entre o coletor e o emissor.

A tensão neste ponto do circuito sobe, conforme mostra a figura 11.


Figura 11

Fazendo um gráfico do que ocorre com a corrente na base do transistor que corresponde ao sinal de entrada, e da tensão na saída do transistor, temos uma visão interessante, mostrada na figura 12.


Figura 12

A fase do sinal de saída é oposta à do sinal de entrada.

Em outras palavras, quando usamos o transistor desta forma, ele amplifica um sinal, mas inverte sua fase.

Conforme veremos mais adiante, existem modos de se usar o transistor em que não ocorre esta inversão.

Outro ponto importante a ser considerado quando falamos de um transistor como amplificador refere-se ao tipo de ganho que obtemos.

Já vimos que ligando o transistor da maneira indicada, as variações muito maiores da corrente no coletor do transistor.

Isso significa que temos um “ganho” ou amplificação da corrente.

Se considerarmos agora que precisamos de uma pequena variação de tensão na base do transistor para provocar a variação de corrente suficiente para o transistor funcionar, e como o resistor de coletor é menor e a variação de corrente maior, vemos 

que a tensão no coletor varia segundo uma faixa de valores muito maior.

Assim, nesta configuração também temos ganho de tensão no sentido de que pequenas variações da tensão de entrada produzem variações maiores da tensão de saída.

O produto tensão x corrente, conforme já estudamos caracteriza a potência elétrica.

Assim, se num transistor temos tanto a corrente de saída como a corrente de saída, maiores que as correntes e tensões de entrada, isso significa que no circuito dado temos um ganho de potência.

Nas aplicações de um transistor num circuito amplificador não é preciso ter necessariamente ganho de tensão e de corrente.

Se um dos ganhos for suficiente para compensar o outro de modo que o ganho de potência seja maior que 1, o transistor já pode ser usado como amplificador.

Isso nos leva a três modos de ligação ou configurações do transistor que serão vistas a seguir:

A configuração básica que estudamos é a mais comum e como proporciona tanto ganho de tensão como de corrente é a que produz maior ganho de potência.

Uma representação simples para esta configuração é dada na figura 13.


Figura 13

Como o sinal entra, entre a base e o emissor, e sai entre, o coletor e o emissor, sendo o emissor um elemento comum à entrada e saída, dizemos que se trata de uma configuração de emissor comum.

No desenho são eliminados os resistores de polarização.

Conforme já vimos, a fase do sinal de saída é invertida em relação a fase do sinal de entrada e temos tanto ganho de tensão como ganho de correntes, elevados.

Como características importantes adicionais temos ainda que a impedância de entrada do circuito é baixa, isso significa que um circuito externo, que vai aplicar sinal a um transistor nesta configuração, “vê” o transistor como se ele fosse uma resistência relativamente baixa, conforme mostra a figura 14.


Figura 14

Esta informação é muito importante num projeto, pois se a impedância do circuito não for a mesma da entrada da etapa em que está o transistor, o sinal não é totalmente transferido e temos uma perda de rendimento.

Para que o transistor tenha o máximo rendimento (ou qualquer outro circuito amplificador) é preciso que a impedância da fonte de sinal seja igual a da sua entrada.

Por outro lado, uma etapa deste tipo tem uma alta resistência de saída ou alta impedância de saída, o que também deve ser levado em conta em muitos projetos.

Quando acoplarmos um transistor a outro, ou seja, interligarmos os transistores, veremos como pode ser feita uma adaptação destas características levando o circuito sempre ao melhor rendimento.

Uma outra configuração importante muito usada é mostrado na figura 15.


Figura 15

Nesta configuração o sinal é aplicado entre a base e o coletor e é retirado entre o emissor e o coletor.

O coletor é então o elemento comum à entrada e saída, sendo por isso denominada a configuração de “Coletor Comum”.

Nesta configuração temos um ganho de corrente muito alto, o que quer dizer que pequenas variações da corrente de base provocam variações muito maiores da corrente de emissor.

No entanto, se levarmos em conta que a corrente no emissor circula por um resistor de carga de valor baixo, as variações de corrente neste resistor produzem pequenas variações de tensão no resistor de saída são menores que as variações da tensão do sinal de entrada.

Dizemos que o ganho de tensão é menor que 1, neste caso.

Apesar disso o transistor nesta configuração apresenta ganho de potência (não muito alto) e outras características que são muito importantes em projetos eletrônicos.

Além disso, a fase do sinal de saída é a mesma do sinal de entrada, ou seja, não há inversão de fase.

A impedância de entrada desta configuração é muito alta, enquanto que a impedância de saída é muito baixa.

Esta configuração também é chamada de “seguidor de emissor”.

Finalmente, temos a configuração mostrada na figura 16.


Figura 16

Nesta configuração o sinal é aplicado entre o emissor e a base e retirado entre a base e o coletor. 

A base é o elemento comum, pelo que a denominação dada ao circuito é “base comum”.

Na configuração de base comum temos um bom ganho de tensão, mas o ganho de corrente é inferior à unidade.

No geral obtemos então um ganho de potência menor que o da configuração de coletor comum.

Não há inversão de fase para o sinal amplificado, e a impedância de entrada é muito baixa.

A impedância de saída, por outro lado, é muito alta.

Nos circuitos eletrônicos encontramos transistores tanto NPN como PNP ligados nas três configurações, dependendo da aplicação.

Na figura 17 temos transistores PNP nas três configurações, observando-se que o que inverte-se é apenas a polaridade da alimentação e portanto o sentido de circulação das correntes.


Figura 17

Os primeiros transistores eram dispositivos simples destinados a operar apenas com correntes de baixa intensidade, sendo por isso quase todos iguais nas principais características.

No entanto, com o passar do tempo ocorreram muitos aperfeiçoamentos nos processos de fabricação que levaram os fabricantes a produzirem uma enorme quantidade de tipos de transistores, capazes de operar não só com pequenas intensidades de corrente mas também com correntes elevadas, o mesmo ocorrendo em relação às tensões e até mesmo às velocidades.

Assim, de modo a facilitar um estudo do transistor na prática será conveniente dividir estes dispositivos em “famílias” em que as características principais se mantêm.

Para as outras características, as diferenças são normalmente fornecidas pelos fabricantes na forma de folhas de dados (databooks), manuais, CD-ROMs e outros, de características de componentes são especialmente interessantes para a consulta, pois eles podem facilmente procurar todos os componentes de uma certa família que tenha uma especificação comum, quando digitamos estas características.

As características dos transistores também são disponíveis pela internet, caso em que o interessado pode obtê-las diretamente a partir dos endereços dos fabricantes.

Para que se tenha uma Idéia de como podem variar as características dos transistores, basta dizer que dezenas de tipos são lançados diariamente com novas especificações, novas aplicações aumentando ainda mais a enorme lista destes componentes.

A lista de tipo de transistores disponíveis já ultrapassou há muito tempo a casa de 1 milhão.

No entanto, na prática apenas algumas centenas podem ser considerados “principais” e possuindo um bom manual, o praticante dotado de suficiente conhecimento técnico consegue encontrar sempre um nestas centenas capaz de substituir tipos considerados difíceis, fora da linha, dos milhões que existem por ai.

Manuais de substituição de transistores, ou o acesso a informações sobre transistores são muito importantes neste momento, tanto que falaremos deles oportunamente.

Transistores de uso geral

Estes são transistores destinados a gerar ou amplificar sinais de pequena intensidade e de freqüência relativamente baixa.

As pequenas pastilhas de silício ou germânio que formam estes transistores são encerradas em invólucros plásticos ou de metal conforme mostra a figura 18.


Figura 18

Os três terminais que saem deste invólucro correspondem ao emissor (E), coletor (C) e base (B), devendo sua identificação ser feita a partir do tipo, pois pode variar bastante tanto em relação ao fabricante como ao invólucro.

Podemos encontrar transistores de uso geral tanto do tipo PNP como NPN e tanto de germânio como de silício.

A maioria dos transistores modernos são de silício, sendo que os de germânio são encontrados apenas em aparelhos antigos ou em aplicações em que as características especiais deste material possam ser necessárias.

Para melhor definir estes transformadores podemos dar as características principais da maneira como são encontradas nos manuais.

Ic- esta é a abreviação da corrente de coletor.

Para os transistores de uso geral temos um Ic(max) ou seja, corrente de coletor  máxima, que varia entre 20 mA e 500 mA.

VCEO – esta sigla significa a tensão que existe entre o coletor e o emissor do transistor quando sua base está desligada.

Para os transistores de uso geral, temos VCEO (max) ou tensões máximas de operação entre 10V e 80V.

fT – esta é uma abreviação que nos diz qual é a freqüência máxima que o transistor pode operar, ou seja, a freqüência de transição.

Veja que à medida que a freqüência de operação do circuito se aproxima de fT, o ganho do transistor cai, até que ele não mais consegue amplificar os sinais.

Para os transistores de uso geral esta freqüência pode ficar entre 1 e 200MHz.

Tipos comuns desta família são os:

BC548, BC558, BC107, 2SB75, OC74, 2N2222, 2N107 etc.

Transistores de Potência

Estes são transistores destinados a operar com correntes internas mas ainda com sinais de baixas freqüências, como por exemplo nos amplificadores de áudio, excitando diretamente os auto-falantes.

Como as pastilhas de silício de que são feitos os transistores tendem a se aquecer quando em funcionamento devido à intensidade da corrente com que devem trabalhar, elas são encerradas em invólucros que permitem a montagem num radiador de calor.

Na figura 19 temos alguns tipos de invólucros usados para os transistores de potência e também a sua montagem em alguns dissipadores de calor.


Figura 19

Entre o transistor e o radiador de calor é comum a colocação de um pequeno isolador de mica ou plástica especial.

Este isolador, isola eletricamente o transistor do radiador mas deixa passar o calor gerado.

Para ajudar na transferência de calor é também comum o uso de uma pasta térmica a base de silício.

Os transistores desta família operam com correntes de coletor máxima até de 15 amperes.

Tensões máximas entre coletor e emissor na faixa de 20 volts a 100 volts são comuns e a freqüência de transição para os tipos desta família varia entre 100KHz até perto de 40MHz.

Podemos citar como exemplo de transistores de potência os TIP31, TIP32, 2N3055, BD135, BD136, AD142, BU205, etc.

Transistores de RF

Nesta família incluímos transistores destinados a amplificar ou gerar sinais de freqüências elevadas, mas com pequenas intensidades.

São transistores que operam com correntes de baixa intensidade e por isso possuem invólucros de pequenas dimensões, como os mostrados na figura 20.


Figura 20

Os tipos modernos são em sua maioria silício, mas nos aparelhos antigos ainda encontramos alguns transistores de germânio.

Observe que existem transistores que são dotados de 4 terminais.

Assim, além do coletor, base e emissor encontramos um terminal ligado a própria carcaça do transistor, de metal, e que serve de blindagem.

As tensões máximas de operação destes transistores estão na faixa de 10 volts a 30 volts e as correntes máximas não superam os 200mA.

As freqüências de transição são muito altas, chegando a valores como 1.500MHz para transistores usados em seletores de televisão de UHF e outras aplicações semelhantes.

O que diferencia o modo de construção dos diversos transistores não é somente as intensidades de corrente e calor gerado.

Se analisarmos um transistor comum veremos que a região da junção entre o emissor e a base e entre a base e o coletor se comporta como um capacitor.

Na verdade, estudamos na lição anterior que existem componentes  (diodos varicaps) que justamente se aproveitam deste fato na sua operação.

É muito importante o efeito dessa capacitância denominada “parasita” num transistor, pois na realidade ela é indesejável, conforme mostra a figura 21.


Figura 21

Ligando um transistor como amplificador, o sinal aplicado deve ao mesmo tempo polarizar a junção base-emissor (supondo a configuração de emissor comum) e também “carregar” e “descarregar” o pequeno capacitor parasita que ali existe.

Ora, como demora um certo tempo para esta carga e descarga, antes do transistor entrar em operação, existe um pequeno retardo que torna o componente algo lento.

Ora, se o sinal aplicado na entrada for de muita alta freqüência, ou seja, apresentar variações muito rápidas, o transistor não consegue acompanha-las, pois não há tempo para o capacitor formado pelas suas junções carregar-se e descarregar-se.

O resultado é que não temos as variações esperadas da tensão e da corrente de saída, ou seja, o transistor não amplifica, conforme mostra a figura 22.


Figura 22

Assim, ao se projetar um transistor para aplicações em freqüências muito altas têm-se o máximo cuidado em reduzir todas as chamadas capacitâncias parasitas com regiões entre as junções muito pequenas, minimizando assim este efeito.

As próprias configurações dos transistores podem ainda ajudar a aumentar ou diminuir este efeito.

Assim, para amplificação de sinais de freqüência muito altas, prefere-se a configuração de base comum onde as capacitâncias das junções têm seus efeitos minimizados e o transistor atinge sua máxima “velocidade” de operação.

Outro fato interessante que deve ser observado quando analisamos um transistor na prática, é que os portadores de carga nos materiais P são mais lentos do que nos materiais N.

Em outras palavras, os elétrons são mais rápidos que as lacunas.

Assim se considerarmos um transistor PNP e um NPN, o NPN será mais rápido, pois a corrente deve passar por apenas um pedaço de material P onde ela é mais lenta diferentemente do PNP onde ela deve passar por duas regiões P.

É claro que isso é válido apenas para a comparação entre transistores com as mesmas dimensões de pastilha, conforme mostra a figura 23.


Figura 23

Novos matérias como o Arseneto de Gálio (GaAs) já estão sendo usados para a fabricação de transistores e mesmo chips extremamente rápidos, capazes de gerar ou amplificar sinais de milhares de megahertz (gigahertz).

Os portadores de carga tanto N como P nestes materiais são dezenas de vezes mais rápidos do que no silício, o que os tornam ideais para a construção de transistores rápidos.

Transistores de RF comuns são os BF494, BF254, 2N2218, etc.

Para usar um transistor é fundamental que saibamos para que serve um determinado tipo e também como identificar seus terminais.

Os transistores de procedência norte-americana usam na sua codificação a sigla “2N” para diferenciar dos diodos que usam “1N”, mas esta sigla seguida de um número não serve para nos informar que tipo de transistor temos:

se é de áudio, R.F. ou potência, se é NPN ou PNP, se é de germânio ou silício.

Para os transistores com a indicação “2N” é preciso dispor de um databook com os tipos principais ou de informações do fabricante.

Outra possibilidade é acessar estas informações pela internet, o que é possível em alguns casos. 

Na figura 24 temos alguns transistores “2N” com a disposição de seus terminais.


Figura 24

Para os transistores com nomenclatura européia, o próprio tipo do transistor já dá muitas informações sobre o que ele é.

Assim, para a primeira letra já temos a indicação do material usado na sua fabricação:

B – silício

A – germânio

Para a segunda letra temos informações se o transistor é de áudio, RF ou potência:

C – uso geral ou áudio

D – potência

F – RF

Os transistores para aplicações profissionais possuem uma terceira letra indicativa.

Para os comuns, temos um número.

Damos a seguir alguns exemplos:

BC548 – transistor PNP de potência

BF254 – transistor NPN de RF

Veja que esta maneira de indicar os tipos ainda não diz se ele é NPN ou PNP.

Para estes transistores, o manual ainda será necessário para identificar os terminais.

Na figura 25 alguns transistores desta série com a disposição de terminais.               


Figura 25

Transistor como Chave

A aplicação mais simples e imediata do transistor é como chave, simplesmente ligando ou desligando uma carga que seja colocada em seu coletor.

Na verdade, se bem que seja a mais simples, é a mais importante para os computadores que têm praticamente todo o seu modo de funcionamento baseado em   transistores operando como chaves.

Nesta modalidade de operação, o transistor não atua na região linear de sua característica, ou seja, naquela região em que temos variações proporcionais da corrente de coletor em função da corrente de base.

Nesta modalidade o transistor opera no corte e na saturação, termos que ficarão mais claros com as explicações a seguir.

Damos então um circuito básico na figura 26, em que temos no coletor do transistor uma carga que pode ser uma lâmpada, um relé, um Led, ou qualquer outro dispositivo que necessite de uma alimentação fixa para funcionar.


Figura 26

Quando não flui corrente alguma pela base do transistor, ou seja, quando o interruptor S1 está aberto, não temos também corrente alguma no coletor do transistor, ou seja, ele está no corte, funcionando como um interruptor aberto.

Para acionar o transistor de modo que ele se comporte como uma chave devemos atuar sobre sua base de modo que, de imediato tenhamos a corrente de coletor máxima, ou seja, aquela que a carga exige para o seu funcionamento.

Em outras palavras, o transistor deve passar rapidamente do Corte para a Saturação.

Devemos então aplicar na sua base uma tensão que cause a circulação de uma corrente com a intensidade mínima que leve a saturação. Isso é feito fechando-se a chave S1, conforme mostra a figura 27.

Nestas condições, a corrente de base provoca uma forte corrente de coletor ligando então a carga. 

O transistor se comporta como uma chave fechada.


Figura 27

Veja que nesta modalidade de operação, o transistor opera apenas com duas modalidades de sinal na sua entrada:

tensão nula ou ausência de tensão quando deve permanecer no corte, e tensão suficiente para a saturação (o valor mínimo é determinado pelas características do circuito).

Esta modalidade de operação aparece muito nos circuitos denominados lógicos digitais como os dos computadores em que temos apenas duas modalidades de sinais:

o chamado nível baixo ou 0 ou ainda L0 ainda HI em que temos uma tensão positiva fixa de determinado valor, normalmente entre 5 e 18 volts dependendo da “família” de componentes usados, conforme mostra a figura 28.


Figura 28

Nos circuitos digitais, os circuitos que operam segundo este princípio e em muitos outros equipamentos, a sida que obtemos pode ser insuficiente para acionar dispositivos que exijam correntes mais intensas.

É comum então, ligarmos na saída destes circuitos um transistor como chave, para obter controlar um dispositivo externo de maior capacidade de corrente, como por exemplo:

relé, lâmpada, motor, etc;

Na figura 29, temos um exemplo desta aplicação.


Figura 29

Quando a saída do “circuito lógico de controle” está no nível baixo, ou seja, apresenta 0 volt, não há corrente na base do transistor e portanto ele se encontra no corte.

Conseqüentemente, não corrente de coletor e o dispositivo de saída controlado está desligado.

Se for uma lâmpada ou um Led, estará apagado, e se for um relé, estará com a bobina desenergizada. 

Quando a saída tiver uma tensão positiva, então teremos uma corrente circulando pela base do transistor.

Normalmente o resistor em série é calculado para possibilitar a saturação do transistor, de modo que a corrente de coletor será máxima, energizando o dispositivo alimentado.

Se for uma lâmpada, ela acende, e se for um relé, terá a bobina percorrida pela corrente de acionamento.

Veja que podemos fazer as coisas operarem “ao contrário” se o transistor usado for do tipo PNP, conforme mostra o circuito da figura 30.


Figura 30

As correntes num transistor PNP circulam em sentido oposto ao das correntes num transistor NPN. 

Desta forma, no circuito da figura 31, o transistor estará no corte quando a tensão de base for igual a do emissor, ou seja, aproximadamente o valor positivo da tensão de alimentação (representamos por +V), ou sem corrente alguma.


Figura 31

Para levar o transistor à saturação, ou seja, com a corrente máxima de coletor, temos de levar a base aos 0 volt.

Se ligarmos, então, um transistor PNP na saída de um circuito lógico de controle, o acionamento será de modo contrário ao que obtemos com um transistor NPN, conforme sugere a figura 32.


Figura 32

Teremos a carga sem alimentação ou seja, o transistor no corte quando o nível de tensão da saída aplicada na base do transistor for alto, ou seja, correspondendo à tensão positiva de alimentação. 

Por outro lado o transistor irá à saturação quando a saída do circuito de corrente for a zero volt, ou seja, ao nível baixo.

A atualização de um tipo de circuito ou de um outro dependerá da aplicação que se tem em mente ao realizar o projeto.                                                                                                                                                     
Isso significa que estas configurações com os dois tipos de transistores podem ser encontradas em alguns pontos importantes, tanto dos computadores como dos periféricos.

Como calcular a saturação

Saber calcular o valor do resistor de saturação pode ser interessante para a realização de projetos. 

O cálculo que damos a seguir é empírico, ou seja, simplificado de modo a levar a resultados aproximados, que serão satisfatórios na maioria das aplicações práticas.

Para isso, tomemos como ponto de partida o circuito da figura 33.

Neste circuito temos de acionar uma carga que exige uma corrente de 100 mA (0,1 A), que pode ser a bobina de um relé ou uma pequena lâmpada.


Figura 33

Vamos supor que o transistor usado tenha um fator de amplificação de 100 vezes, ou seja, correntes de base provocam corrente de coletor 100 vezes maiores.

Como saber qual é o fator de amplificação de um transistor veremos mais adiante ainda nesta lição.

Veremos também que existe para cada tipo de transistor uma margem muito grande de valores, de modo que ao realizar cálculos adotamos, por segurança o valor menor.

Isso significa que no nosso circuito precisamos de uma corrente de 1mA ou 0,001 amperes aplicada na base para obter a saturação.

Se a tensão aplicada na entrada for, por exemplo, de 6 volts para saber qual é o valor máximo de resistor que podemos usar, basta aplicar a lei de Ohm, ou seja, dividir a tensão pela corrente.

Obtemos então:

R = 6/0,001

R = 6.000Ω

Observe que este é o valor máximo a ser aplicado.

Para maior segurança no acionamento e se obter uma saturação sob quaisquer condições, é comum adotarmos valores de 2 a 10 vezes menores.

Usaremos então no circuito resistores entre 600 e 3.000Ω.

Polarização do transistor amplificador

Se um transistor vai ser usado como amplificador de sinais, então a sua operação deve ser tal que tenhamos variações da corrente de coletor (ou emissor) que correspondam às variações da tensão (e portanto da corrente) aplicada à base.

Para isso, o transistor não trabalhará na região de saturação, mas sim na região linear da sua curva característica, conforme mostra a figura 34.


Figura 34

Isso significa que devemos fixar previamente a corrente em sua base de modo que a corrente de coletor fique em algum ponto intermediário entre o corte e a saturação.

Para fazer isso, conforme já vimos temos diversas possibilidades, pois tanto podemos amplificar os ciclos completos de um sinal como só metade.

O importante é que, para termos um transistor como amplificador será preciso polarizar sua base de modo conveniente, utilizando-se um ou mais resistores de valores calculados conforme a modalidade de operação, ou seja, o tipo de sinal a ser amplificado.

Começamos então com a polarização mais simples que é feita com um único resistor conforme a figura 35.


Figura 35

O resistor ligado à base neste circuito é calculado de modo a manter a corrente num valor que corresponda ao ponto de operação desejado na curva característica.

Na figura 36 temos o caso de um resistor de valor relativamente baixo que mantém a corrente elevada, próxima da saturação, e com isso só temos a amplificação dos semiciclos negativo de um sinal, quando ele faz com que tenhamos uma diminuição de corrente de base e conseqüentemente da corrente de coletor.

Veja que neste caso, o transistor não responde aos semiciclos positivos do sinal de entrada, pois eles significam um aumento da corrente de coletor e o transistor está muito próximo da saturação.


Figura 36

Em 36 (c) temos a polarização com um resistor que mantém a corrente de base em aproximadamente metade da corrente de saturação, ou seja, num ponto que corresponde ao meio da região de operação linear.

Neste caso, tanto  variações no sentido positivo como negativo do sinal são “sentidas” pelo transistor, correspondendo a variações da corrente e tensão de coletor.

O transistor desta forma amplificada os dois semiciclos do sinal de entrada.

Finalmente, temos em 36 (b) a polarização próxima do corte, com um resistor de valor muito alto. 

Neste caso as variações negativas da tensão de entrada que ainda tenderiam a diminuir a corrente já pequena da base não são respondidas.

Veja que, se pretendemos amplificar um sinal de áudio fraco, como por exemplo num pré amplificador, devemos escolher com cuidado a polarização, pois tanto no caso (a) como (b) o corte de um dos semiciclos significará uma distorção do sinal.

Por outro lado, se usarmos dois transistores, um operando como em (a) e o outro como em (b) da figura 36, podemos ter uma amplificação de uma forma “complementar” e os dois semiciclos dos sinais serão ampliados sem distorção.

Veremos como fazer isso ao estudar os amplificadores.

O importante entretanto nesta polarização é que o cálculo do valor exato do resistor a ser usado é um procedimento que normalmente se encarrega de fazer o projetista.

No nosso caso, é importante saber que o valor do resistor é essencial para a finalidade de amplificação.

Na polarização que estudamos existe um pequeno inconveniente que é a sua instabilidade.

Os transistores podem apresentar pequenos desvios de suas características, que determinam os valores dos componentes externos em função das condições de operação, como por exemplo: variações etc, conforme mostra a figura 37.


Figura 37

Estas variações podem ser suficientemente grandes para descolar o ponto de funcionamento do transistor e com isso introduzir distorções.

Uma primeira possibilidade de melhoria do desempenho do transistor é com a auto-polarização mostrada na figura 38.


Figura 38

O resistor de polarização da base, que fixa a corrente na condição de repouso é ligado ao coletor do transistor.

Se a corrente de coletor tender a aumentar sozinha, pelo aquecimento do componente por exemplo, isso vai causar uma diminuição da tensão neste ponto.

Lembramos que se a corrente no transistor aumenta, é como se sua resistência diminuísse e portanto há uma queda de tensão no coletor.

Aplicada ao resistor de base faz com que a corrente de base também diminua.

O resultado da redução da corrente de base é fazer cair a corrente no coletor, ou seja, compensa o efeito de seu aumento pelo calor.

Com esta configuração obtemos então uma maior estabilidade de funcionamento para o transistor.

Outra forma de obter uma boa estabilização numa faixa mais ampla de operação é com a polarização mostrada na figura 39.


Figura 39

Usamos dois resistores na base do transistor formando um divisor de tensão, e para que a base não opere com uma tensão muito baixa, acrescentamos um resistor no emissor.

Lembramos que estas polarizações encontram disposições analógicas em configurações de base comum e coletor comum, já que o que vimos foi mostrado nas configurações de emissor comum.

Ganhos Alfa e Beta

Para especificar o fator de amplificação de um transistor ou o seu “ganho” existem dois termos que ainda são bastante usados e que é bom que os leitores conheçam.

Conforme estudamos, quando ligamos um transistor na configuração de emissor comum,pequenas variações da corrente de base provocam variações maiores da corrente de coletor.

Quantas vezes as variações da corrente de coletor são maiores que as variações da corrente de base nos dá o ganho Beta do transistor (B).

Este fator é válido portanto para a amplificação de sinais de muito baixas freqüências ou correntes contínuas.

Para obter beta, basta então aplicar a fórmula:


Figura - Fórmula freqüências ou correntes contínuas

onde:

β = fator beta

Ic = corrente de coletor

Ib = corrente de base correspondente

Lembramos que as correntes devem ser expressas na mesma unidade.

Para os transistores comuns, os fatores Beta podem variar entre 2 ou 3 (transistores de alta tensão e alta potência) até mais de 1.000 para tipos de baixos sinais, e mais de 10.000 para os chamados transistores Darlingtons.

Para a relação entre a corrente de coletor e corrente de base com sinais de baixas freqüências ou corrente contínua, e para uma determinada intensidade de corrente de coletor, normalmente em torno de 1mA, encontramos também a especificação torno de 1mA, encontramos também a especificação “ganho estático de corrente “ indicado por hFE. 

Uma outra forma de se indicar o ganho de um transistor é pelo fator Alfa (α).

Este fator corresponde à relação que existe entre a corrente de coletor e a corrente de emissor, na configuração de base comum, levando-se em conta que a corrente de emissor é sempre maior que a corrente de coletor, pois corresponde à soma da corrente de base com a própria corrente de coletor, conforme mostra a figura 40.


Figura 40

É fácil perceber que, quanto mais próximo de 1 estiver este valor, isso significa que menor será a corrente de base em relação à corrente de coletor e portanto  maior será o ganho do transistor.

Também podemos perceber que, por maior que seja o ganho alfa de um transistor, ele nunca chegará a 1.

Valores entre 0,9 e 0,999 são comuns nos transistores atuais.

Existe uma relação bem definida entre o fator beta e o alfa e que é dada pela fórmula:


Figura - Fórmula  fator beta e o alfa

Reguladores de tensão

Uma aplicação importante para um transistor num circuito que opera exclusivamente com corrente contínua é como regulador em fontes de alimentação.

Quando estudamos o princípio de funcionamento dos diodos zener, vimos que aqueles dispositivos tinham por principal característica manter constante a tensão entre seus terminais e assim funcionamento como reguladores de tensão.

No entanto, também vimos que estes componentes possuem uma capacidade limitada de conduzir corrente, ou seja, não podem estabilizar fontes de correntes muito intensas.

Se bem que atualmente sejam disponíveis zeners de altas potências, devido ao seu preço, nas aplicações mais comuns em que se deseja uma corrente maior e conseqüentemente em muitos circuitos ligados ao computador, utiliza-se um artifício que veremos agora.

O que se faz é estabelecer a tensão desejada na saída de uma fonte através de um zener e utilizar um transistor de maior capacidade de corrente para mantê-lo no valor desejado.

Temos então a utilização de transistores como reguladores de tensão.

Existem duas configurações em que podemos usar transistores coma finalidade indicada.

A primeira, menos comum, é mostrada na figura 41 e consiste no regulador paralelo.


Figura 41

Nesta configuração o transistor é ligado de modo que a carga ou circuito externo alimentado fique entre o coletor e o emissor, ou seja, em paralelo.

O zenner estabelece na base do transistor a tensão que deve ser aplicada à carga.

Quando a tenso na carga varia, o zenner “sente” esta variação e faz com que o transistor conduza em maior ou mentor se a tensão na carga aumenta, o zener atua fazendo o transistor aumentar sua condução.

Com o aumento da corrente do coletor do transistor, cai ao valor normal a tensão na carga.

Um problema deste tipo de regulador é que sempre existe uma corrente relativamente intensa conduzida pelo transistor o que causa a produção de uma boa quantidade de calor.

Isso significa uma perda de energia muito grande na forma de calor.

Este é um dos motivos que as fontes dos computadores não empregam esta configuração em seus circuitos.

Um tipo de regulador de tensão mais comum é o mostrado na figura 42 e consiste no regulador série.


Figura 42

Neste circuito, o diodo zener estabelece na base do transistor a tensão de referencia.

O transistor conduz então de modo a manter constante a tensão no seu emissor e portanto na carga alimentada.

Observamos que neste circuito a tensão que aparece na saída, ou seja, no emissor, é aproximadamente 0,6 volts mais baixa que a tensão do zenner, pois temos de compensar este valor para que a junção emissor-base seja polarizada no sentido direto.

Podemos perfeitamente 0,6 volts mais baixa que a tensão do zener, pois temos de compensar este valor para que a junção emissor-base seja polarizada no sentido direto.

Podemos perfeitamente usar transistores PNP nos mesmos circuitos, obtendo assim uma regulagem na linha negativa do circuito.

O resultado final é o mesmo.

O valor do resistor utilizado neste circuito série é calculado de modo que tenhamos uma corrente compatível com o funcionamento do zener e também que seja suficiente para polarizar a base do transistor, fornecendo a corrente desejada na saída.

Se um único transistor não for capaz de fornecer a corrente desejada podemos associar diversas unidades em paralelo, conforme mostra a figura 43.


Figura 43

no entanto para que as correntes tenham uma divisão que independa das pequenas diferenças de características que existem nos transistores, ainda que do mesmo tipo, os resistores em série são absolutamente necessários.

Também existe a possibilidade do uso de transistores intermediários para uma “pré-amplificação”, mas isso o aluno verá depois de conhecer as formas de acoplarmos os transistores.

Para variar a tensa de um regulador deste tipo existe um artifício que será inclusive aproveitado em um de nossos projetos práticos.

O zenner estabelece a tensão de referência e em paralelo com ele ligamos um potenciômetro que funciona como um divisor de tensão.

Desta forma, girando o cursor do potenciômetro podemos variar a tensão na base do transistor entre 0 e o valor que corresponde à tensão do zenner, conforme mostra a figura 44.


Figura 44

Levando em conta que o transistor começa a conduzir com aproximadamente  0,6 volts, teremos na sua saída (emissor) uma tensão que irá ficar entre 0 e 0,6 volts a menos que a tensão no diodo zenner.

Esta é uma forma muito simples de se obter uma fonte econômica de tensão variável.

Veja que a atuação do circuito será ainda de modo a manter constante na carga a tensão para a qual tenha sido o ajuste.

Acoplamentos

Nos aparelhos eletrônicos que amplificam sinais ou mesmo correntes contínuas existem normalmente muitos transistores já que, dependendo da finalidade, um único transistor não proporciona a amplificação necessária.

Tais aparelhos são formados por diversas etapas, ou seja, circuitos de amplificação ou outras funções, independentes, e que são interligados de modo que o sinal passe de um para outro, à medida que for sendo trabalhado.

A ligação de um circuito a outro que é denominada Acoplamento deve ser feita de modo que tenhamos a máxima transferência de sinal de um para outro mas ao mesmo tempo seja proporcionada uma independência de funcionamento, ou seja, de polarização.

Temos diversas maneiras de fazer isso e que serão analisadas a seguir.

Acoplamento direto

A maneira mais simples de transferirmos o sinal de um transistor para outro, ou de uma etapa amplificadora para outra é através do acoplamento direto.

Na figura 45 temos duas maneiras de fazer isso.


Figura 45

Para que o transistor NPN conduza, devemos ter um aumento da sua tensão de base, ou seja, a corrente deve circular no sentido da base para o emissor, o que vai provocar a circulação de uma corrente maior no sentido do coletor para o emissor.

Ora, a corrente entre o coletor e o emissor já tem o sentido certo para polarizar a base do transistor PNP, provocando assim uma corrente maior no sentido do emissor para o coletor, conforme mostra a figura 46.


Figura 46

A corrente que obtemos no coletor do transistor PNP corresponde então à corrente de base do transistor NPN, multiplicada pelos ganhos dos dois transistores aproximadamente.

Variações muito pequenas da corrente de coletor do segundo transistor (PNP).

Esta configuração amplificadora por sua simplicidade é muito usada em projetos de pequenos amplificadores de áudio, osciladores e outros circuitos.

Também encontramos esta configuração em alguns circuitos periféricos de computadores como por exemplo placas de som, amplificadores multimídia, etc. uma outra forma de acoplamento direto é mostrado na figura 47.


Figura 47

Para esta configuração podemos usar transistores do mesmo tipo, no entanto temos um rendimento um pouco menor.

É fácil perceber que o transistor Q1 atua como uma derivação para a polarização da base do transistor Q2.

Assim, um aumento da condução de Q1 provoca uma diminuição da condução de Q2, o que é um comportamento diferente do obtido na configuração com transistores de tipos diferentes (NPN e PNP).

Acoplamento Darlington

Esta é uma modalidade de acoplamento direto muito usado e que proporciona excelentes resultados no que se refere à amplificação.

Na figura 48, temos o modo de se fazer este acoplamento.


Figura 48

Veja que podemos obter esta configuração tanto com transistores NPN como PNP.

O resultado final é que obtemos um “super transistor” em que ganhos dos dois transistores associados ficam multiplicados.

Assim, se usarmos dois transistores de ganho 100, obteremos um transistor Darlington com ganho 100 x 100 = 10.000.

A utilidade desta configuração é tanta, que muitos fabricantes já possuem na sua linha de componentes transistores Darlington, ou seja, dois transistores já são fabricados e interligados numa mesma pastilha de silício e colocados no mesmo invólucro, conforme a figura 49. 


Figura 49

Transistores com ganho entre 1.000 e 10.000 vezes são disponíveis no mercado.

Acoplamento RC

Uma das vantagens do acoplamento direto é que podemos trabalhar com sinais que vão desde correntes contínuas até sinais de freqüências relativamente altas.

No entanto, temos como desvantagem o fato de que não existe isolamento entre etapas, ou seja, os próprios transistores. 

Se formos trabalhar com sinais que tenham uma certa freqüência, ou seja, não forem de corrente contínua, e desejaremos um isolamento entre as etapas, podemos empregar o acoplamento RC mostrado na figura 50.


Figura 50

Conforme estudamos, os capacitores oferecem uma pequena resistência à passagem de sinais cujas freqüências sejam elevadas.

Por outro eles se comportam como um circuito aberto, ou seja, exatamente independentes.

A vantagem do isolamento das polarizações deste tipo de acoplamento é contraposta à desvantagem de que, na passagem do sinal de um para outro transistor temos uma certa perda de sua intensidade devido ao fato de que a impedância de saída de Q1 normalmente não se “casa” exatamente com a impedância de entrada de Q2.

Acoplamento LC

Nos circuitos de altas freqüências e mesmo em alguns casos de circuitos com sinais de áudio ou baixas freqüências, temos uma variação do acoplamento anterior que é o LC, conforme mostra a figura 51.


Figura 51

Neste caso, o capacitor deixa passar com facilidade o sinal de uma etapa para outra, mas bloqueia a circulação de correntes contínuas de polarização.

Já o indutor (L1) deixa passar com facilidade as correntes de polarização, mas impede a passagem do sinal amplificado que, de outra forma iria para a fonte.

Acoplamento a transformador

A diferença entre a impedância de saída do transistor Q1 e de entrada do transistor Q2 pode ser compensada nesta forma de acoplamento que utiliza um transformador, conforme mostra a figura 52.


Figura 52

O sinal passa então de um enrolamento para outro do transformador, mas a polarização dos estágios não.

Um tipo de transformador, usado nesta aplicação é o denominado “driver” que aparece muito em pequenos receptores com transistores.

Nos circuitos de altas freqüências temos os chamados transformadores de F.I. (freqüência intermediária) e mesmo os transformadores de R.F., conforme mostra a figura 53.


Figura 53 

No caso dos transformadores de F.I. e de R.F., os enrolamentos podem ser sintonizados (quer seja pela movimentação do núcleo ou ainda do parafuso de um trimer) para a freqüência de operação quando então apresentam a máxima impedância para o sinal.

Um transformador também pode ser usado para acoplar um dispositivo qualquer à entrada ou saída de uma etapa amplificadora quando suas impedâncias são bem diferentes. 

Obtém-se o maior rendimento na transferência de um sinal de um dispositivo a outro de uma etapa a outra, quando suas impedâncias são iguais.

Um exemplo é dado na figura 54, em que usamos um transformador denominado de “de saída”, para transferir o sinal de um transistor (que é um dispositivo cuja saída tem impedâncias relativamente alta) para um alto-falante (que é um dispositivo cuja impedância é muito baixa).


Figura 54

O transformador tem um enrolamento primário com impedância entre 100 e 5MΩ (conforme a potência), e sua saída no secundário é de 4Ω ou 8Ω, conforme o alto-falante que se pretende usar.

Já na figura 55, temos um exemplo, em que usamos um transformador para casar a baixa impedância de um microfone ou mesmo um pequeno alto-falante que pode ser usado nesta função, com a impedância mais alta da entrada de um amplificador.


Figura 55

Sem o transistor, o alto-falante não consegue transferir seu sinal para o amplificador, quando usado como microfone, e o rendimento é mínimo. Com o transformador o rendimento melhora centenas de vezes.

Transistor como Chave

No computador, a maioria das aplicações do transistor é como chave, ou seja, trabalhando em apenas duas condições:

saturado (conduzindo) ou no corte (sem conduzir).

Numa condição ele representa o dígito zero e na outra o dígito um, ou seja, um bit.

Um fato importante que deve ser levado em conta nesta modalidade de operação, é que na transição do nível zero para o um, ou seja de saturado para o corte e vice-versa, o transistor passa por estados intermediários em que ele apresenta uma certa resistência.

Isso significa que nesta passagem existe uma dissipação de calor, que será tanto menor quanto mais rápido for o transistor.

No computador esta velocidade de resposta é muito importante, pois além de determinar a velocidade máxima que ele pode funcionar também limita a quantidade de calor gerado.

O que ocorre é que os transistores apresentam uma capacitância entre o emissor e a base, que afeta o sinal de controle.

Assim, antes do transistor mudar de estado, o capacitor entre a base e o emissor deve ser carregado e isso leva um determinado tempo.

Os transistores de comutação que são tipos especiais usados nestas aplicações se caracterizam por possuírem uma capacitância entre a base e o emissor muito baixa.

Isso significa que ela pode ser carregada rapidamente e o transistor muda de estado com mais velocidade.

Mas, nos computadores também encontramos outros tipos de circuitos como os que processam sons nas placas multimídia, as fontes de alimentação, etc.

Assim, diversos tipos de circuitos podem ser encontrados em periféricos e eles são igualmente importantes.