Transístor

Transistor Darlington | Fototransistor

O transístor bipolar é o transístor mais importante do ponto de vista histórico e o de utilização mais corrente. No entanto, convém referir os transístores de efeito de campo (FET, “Field Effect Transistor”), nomeadamente, os transístores FET de junção unipolar, os transístores MOSFET (“Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”), e os CMOS (“complementary MOSFET”), os quais são muito usados na electrónica integrada de alta densidade.

Simbolos transistores

O material semicondutor mais usado no fabrico de transístores é o silício. Contudo, o primeiro transístor foi fabricado em germânio. O silício é preferível porque possibilita o funcionamento a temperaturas mais elevadas (175 ºC, quando comparado com os ~75ºC dos transístores de germânio) e também porque apresenta correntes de fuga menores. O transístor bipolar é formado por duas junções p-n em série, podendo apresentar as configurações p-n-p e n-p-n . Os transístores n-p-n são os mais comuns, basicamente porque a mobilidade dos electrões é muito superior à das lacunas, isto é, os electrões movem-se mais facilmente ao longo da estrutura cristalina o que traz vantagens significativas no processamento de sinais de alta frequência. E são mais adequados à produção em massa. No entanto, deve-se referir que, em várias situações, é muito útil ter os dois tipos de transístores num circuito.

O transístor de junção bipolar é um dos componentes mais importantes na Electrónica. É um dispositivo com três terminais. Num elemento com três terminais é possível usar a tensão entre dois dos terminais para controlar o fluxo de corrente no terceiro terminal, i.e., obter uma fonte controlável. O transístor permite a amplificação e comutação de sinais, tendo substituído as válvulas termo-iónicas na maior parte das aplicações. A figura da página seguinte mostra, de forma esquemática, um transístor bipolar p-n-p. Este transístor é formado por duas junções p-n que partilham a região do tipo n (muito fina e não representada à escala). Neste aspecto, o dispositivo corresponde à sanduíche de um material
do tipo n, entre duas regiões do tipo p. Existe também a estrutura complementar (npn). Dependendo da polarização de cada junções (directa ou inversa), o transístor pode operar no modo activo/linear, estar em corte ou em saturação. Verifique e simule a polarização e funcionamento de um transístor bipolar .

Um transístor bipolar (com polaridade NPN ou PNP) é constituído por duas junções PN (junção base-emissor e junção base-colector) de material semicondutor (silício ou germânio) e por três terminais designados por Emissor (E), Base (B) e Colector (C).
Junção de um transistor bi-polar

Símbolos Transístores

Zonas Funcionamento Transístores

	NPN		PNP
Zona	Condições	Modelo	Condições	Modelo
Corte	V_BE < 0.7V V_BC < 0.7V	I_C = 0 I_E = 0 I_B = 0	V_EB < 0.7V V_CB < 0.7V	I_C = 0 I_E = 0 I_B = 0
Activa	V_BE =0.7V V_BC <0.7V	V_BE =0.7V I_C = β* I_B I_E = I_C+I_B ou I_E = (β+1)*I_B	V_EB = 0.7V V_CB < 0.7V	V_EB =0.7V I_C = β* I_B I_E = I_C+I_B ou I_E = (β+1)*IB
Saturação	V_BE = 0.8V V_BC = 0.7V	V_BE =0.8V V_CE =0.1V I_E = I_C+I_B	V_EB = 0.8V V_CB = 0.7V	V_EB =0.8V V_EC =0.1V I_E = I_C+I_B

Em cada transístor bipolar existem duas junções que irão apresentar zonas de funcionamento diferentes, consoante as junções base-emissor e base-colector se encontram polarizadas directa ou inversamente.
Os transístores têm três zonas de funcionamento distintas:

Corte - Ambas as junções estão polarizadas inversamente
Saturação - Ambas as junções estão polarizadas directamente
Activa - Junção base-emissor polarizada directamente e junção base colector polarizada inversamente

Transistor como Amplificador

Um transístor funciona como amplificador, quando a corrente de base oscila entre zero e um valor máximo. Neste caso, a corrente de coletor é um múltiplo da corrente de base. Se aplicarmos na base do transistor um sinal, vamos obter uma corrente mais elevada no coletor proporcional ao sinal aplicado:
transistor a funcionar como amplificador

transistor a funcionar como amplificador

Ganho de um transístor

O ganho de um transístor, é uma característica do transístor,é o factor de multiplicação da corrente de base (I_b)ou Beta ß ou hfe do transístor.
A formula matemática que permite efectuar o cálculo é :
I_c = I_b x ß

* I_c: corrente de coletor
* I_b: corrente de base
* ß : beta (ganho)

Existem algumas especificações definidas pelo fabricante:

Ref ou Tipo: é o nome do transistor.
VCEO: tensão entre coletor e emissor com a base aberta.
VCER: tensão entre coletor e emissor com uma resistência no emissor.
Pol: polarização; N=NPN e P=PNP.
PTOT: Potência máxima que o transistor pode dissipar
Ft: Frequência máxima.
Encapsulamento: Cápsula do transístor que define cada um dos terminais.

Determinar Tensões e Correntes TJB (Transístor Junção Bipolar)

Considerando o circuito da figura em que o transístor bipolar NPN é caracterizado por β=100 (ganho)
funcionamento npn

Determinar tensões e correntes do transístor.
Considerando que o transístor está na zona activa, consideramos o circuito seguinte
NPN no circuito

Circulando pela malha da base:
-V₁ + R_B * I_B + V_BE = 0
ou
I_B= (V₁ - V_BE) / R_B
I_B = (10-0,7)/220
I_B = 42,27µA

I_C=β*I_B ou I_C=4,23mA
para as tensões temos:
V_E=0 V_B=0,7 V_C=10-R_C*I_C ou V_C=5,7 onde
V_BE=0,7 e V_BC=-6,4 < 0,7
Podemos concluir que o transístor se encontra na zona activa.
Formúlas e simulação de funcionamento de transístor

Configurações Transistor Bipolar

ligação típica transístor

Configuração	Emissor comum	Base comum	Coletor comum
Impedância entrada	média	baixa	alta
Impedância saída	média	alta	baixa
Ganho de tensão	médio	alto	baixo
Ganho de corrente	médio	baixo	alto
Ganho de potência	alto	baixo	médio
Desvio de fase	180°	0°	0°

Base Comum (Ganho em tensão, sem ganho em corrente).
Emissor Comum (Ganho em tensão e corrente).
Coletor Comum (Ganho em corrente, sem ganho em tensão).

Transistor - Emissor Comum

A montagem de um transistor em emissor comum é um estágio baseado num transistor bipolar em série com um elemento de carga. O termo "emissor comum" refere-se ao facto de que o terminal do emissor do transistor tem uma ligação "comum", tipicamente a referência de 0V ou Terra. O terminal do colector é ligado à carga da saída, e o terminal da base actua como a entrada de sinal.
O circuito do emissor comum é constituido por uma resistência de carga RC e um transistor NPN; os outros elementos do circuito são usados para a polarização do transistor e para o acoplamento do sinal.
Os circuitos emissor comum são utilizados para amplificar sinais de baixa voltagem, como os sinais de rádios fracos captados por uma antena, para amplificação de um sinal de áudio ou vídeo

Transístor Emissor Comum

Características de um amplificador com transístor em emissor comum:

IMPEDÂNCIA DE ENTRADA (Ze): É igual ao quociente entre a tensão de entrada (Ee = tensão CA do sinal de entrada) e a corrente de entrada (Ie = corrente CA do sinal de entrada). A impedância de entrada está compreendida entre 10KΩ e 100KΩ
Ze=Ee / Ie
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA (Zs): É igual ao quociente entre a tensão CA do sinal de saída (Es), quando a saída esta em vazio (isto é, Is = 0) e a corrente CA do sinal de saída (Is), quando a saída está em curto-circuito (Es =0).A impedância de saída esta situada entre 10KΩe 100KΩ.
Zs= Es (saída em vazio) / Is (saída em curto)
AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE (Ai): é o quociente entre a corrente CA do sinal de saída e a corrente CA do sinal de entrada. A amplificação de corrente está compreendida entre 10 e 100 vezes.
Ai = Is / Ie
AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO (Av): é o quociente entre a tensão CA do sinal de saída e a tensão CA do sinal de entrada. A ampificação de tensão está situada entre 100 e 1000 vezes.
Av = Es / Ee
AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA (Ap): é igual ao produto entre a amplificação de corrente e a amplificação de tensão. A amplificação de potência está compreendida entre 1.000 e 100.000 vezes.
Ap = Ai x Av
RELAÇÃO DE FASE: Ocorre uma defasamento de 180° entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada (180° = 180 graus).

Transístor - Colector Comum

O circuito com um transístor com colector comum possui um ganho de tensão muito próximo da unidade, significando que os sinais em CA que são inseridos na entrada serão replicados quase igualmente na saída, assumindo que a carga de saída não apresente dificuldades para ser controlada pelo transistor. O circuito possui um ganho de corrente típico que depende em grande parte do hFE do transistor. Uma pequena mudança na corrente de entrada resulta em uma mudança muito maior na corrente de saída enviada à carga. Deste modo, um terminal de entrada com uma fraca alimentação pode ser utilizado para alimentar uma resistência menor no terminal de saída. Esta configuração é comumente utilizada nos estágios de saída dos amplificadores Classe B e Classe AB, o circuito base é modificado para operar o transístor no modo classe B ou AB. No modo classe A, muitas vezes uma fonte de corrente activa é utilizada em vez do RE para melhorar a linearidade ou eficiência.

Características de um amplificador com transístor em colector comum:

IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: de 100KΩ a 1MΩ .
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: de 50Ω a 5000Ω.
AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: de 10 a 100 vezes.
AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: é menor do que 1. Neste tipo de amplificador não há amplificação de tensão.
AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: de 10 a 100 vezes.
RELAÇÃO DE FASE: não há desfasamento entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada.

Transístor - Base Comum

A ligação de um transístor em base comum é uma configuração de um transístor na qual sua base é ligada ao ponto comum do circuito.
Esta montagem é utilizada de forma menos frequente do que as outras configurações em circuitos de baixa de baixa frequência, é utilizada para amplificadores que necessitam de uma impedância de entrada baixa. Como exemplo temos o pré-amplificador de microfones.
É utilizado para amplificadores VHF e UHF onde a baixa capacitância da saída à entrada é de importância crítica.
Os parâmetros α (Alfa) e β (Beta) de um transístor bipolar Quando um transístor bipolar é ligado em base comum, o quociente entre a corrente de colector (Ic) e a corrente de emissor (Ie) recebe o nome de GANHO DE CORRENTE ESTÁTICO DA MONTAGEM BASE COMUM, e é indicado pela letra grega α (ALFA).

α=Ic/Ie

Características de um amplificador com transístor em base comum:

IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: entre 10Ωe 100Ω .
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: entre 100 KΩ e 1MΩ .
AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: é um pouco inferior à unidade (entre O,95 e O,99).Portanto, neste tipo de circuito não há amplificação de corrente.
AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: entre 500 e 5.000 vezes.
AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: entre 100 e 1.000 vezes.
RELAÇÃO DE FASE: não há desfasamento entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada.

Transistor Darlington

Transistor Darlington

O Darlington não é mais do que a ligação de vários transistores com a finalidade de aumentar o ganho.

O ganho (HFE) total do Darlington é a multiplicação dos ganhos individuais de cada um dos transistores.

Vantagens:

Maior ganho de corrente.
Tanto o disparo como bloqueio são sequenciais.
A queda de tensão em saturação é constante.

Desvantagens:

Utilização apenas com médias frequências e médias potências.

Fototransístor

Fototransístor

O fototransistor não é mais do que um transístor bipolar em que a luz incide sobre a base.
O seu funcionamento não difere do funcionamento do transístor bipolar, no entanto, a base é polarizada pela luz.
Tem um tempo de resposta maior e é mais sensível que o fotodiodo.

Tem uma enorme utilização nos acopladores ópticos que têm a função de isolar eletricamente circuitos diferentes. O acoplador óptico é composto por um díodo emissor de luz (LED) e um fototransístor.
acoplador optico

Os transístores têm várias caixas segundo os vários fabricantes.