Introdução ao Transistor

BJT

BJT é uma sigla para "Bipolar Junction Transistor" ("Transistor de Junção Bipolar"), um dos modelos mais famosos e utilizados no #MovimentoMaker, como o BC337. Assim como os diodos, os BJTs também utilizam junções PN para controlar a passagem de corrente de acordo com a sua polarização. Existem dois modelos de BJTs, o modelo NPN e o modelo PNP. Os transistores NPN, como o BC337, são compostos de duas camadas de semicondutores N e uma única camada intermediária de semicondutor P. Já os transistores PNP são inversos, pois possuem duas camadas P com uma camada intermediária N, como na imagem a seguir.

Portanto quando o transistor é polarizado, são feitas duas junções PN, uma entre a base (B) e o coletor (C), e outra entre a base e o emissor (E), basicamente como se fossem dois diodos interligados, como na imagem abaixo.

Note que a direção de polarização do diodo entre a base e o emissor está de acordo com a direção da seta do emissor na simbologia do componente, tanto no NPN, quanto no PNP, como na imagem abaixo. Esta seta indica o sentido que a corrente irá fluir pelo componente, ou seja, para um transistor NPN, a corrente sai do componente através do Emissor, diferentemente do transistor PNP, onde a corrente entra no componente através do Emissor. Com a corrente correta aplicada sobre a Base do componente, os elétrons de um transistor NPN fluem de seu Emissor para o seu Coletor, fazendo com a corrente elétrica flua entre esses terminais. Para um transistor PNP, o conceito é o mesmo, porém de uma maneira oposta, já que a corrente da Base faz com que o Emissor crie a ausência de elétrons com o Coletor, o que faz com que a corrente elétrica presente no Emissor flua para o Coletor.

Levando isso em conta, é fácil entender a diferença de funcionamento entre os modelos. Em transistores NPN, para que a junção PN do emissor seja polarizada, é necessário aplicar uma tensão na Base superior à tensão no Emissor (Vbe > 0). Já com o transistores PNP, a lógica é invertida, já que o diodo é invertido também, ou seja, para que a junção do emissor seja polarizada, é necessário aplicar uma tensão inferior (Vbe < 0).

Consequentemente, o nível lógico do emissor do componente deve ser inverso ao nível lógico da base. Ou seja, para um transistor PNP, por exemplo, enquanto o emissor estiver em um nível lógico alto, para a polarização, a base deverá ser alimentada por um nível lógico baixo, como pode ser visto nas imagens a seguir.

Embora a analogia do BJT como dois diodos interligados seja um bom método de compreender seu funcionamento, não é possível substituir este transistor por dois diodos. Um ponto interessante sobre este modelo de transistor, e sobre esta analogia do componente como dois diodos, é que os BJTs apresentam uma queda de tensão entre a Base e o Emissor que é próxima de 0,7 V, assim como os diodos costumam apresentar esta queda de tensão entre seus terminais.

FET

FET é a sigla para "Field Effect Transistor" (Transistores de Efeito de Campo), um componente com um funcionamento um pouco distinto dos BJTs. Os BJTs utilizam a corrente aplicada sobre a Base para controlar a passagem de corrente no Emissor, já os FETs utilizam a tensão aplicada na Porta para controlar a corrente na Fonte. Este tipo de transistor é dividido em duas categorias principais, os JFETs e os MOSFETs.

JFET

O JFET é um modelo de FET muito similar ao BJT, já que ele utiliza tanto a junção PN, quanto o campo elétrico, para ser polarizado. O seu nome é oriundo de suas características elétricas, já que JFET é a abreviação de "Junction Field Effect Transistor" (Transistor de Junção de Efeito de Campo). Esse modelo de transistor é subdividido em duas categorias, o JFET de Canal N e o JFET de Canal P. Este componente possui uma camada de semicondutor tipo N, ou tipo P, conectado ao terminal "Drain" (Dreno - D), que atravessa todo o componente até o terminal "Source" (Fonte - S). Entre essa grande camada de semicondutor, há duas pequenas camadas de semicondutor tipo P, ou tipo N, nas extremidades laterais do componente e conectadas ao terminal "Gate" (Porta - G), como na imagem ao lado.

Para entender o seu funcionamento, vamos utilizar um JFET de Canal N como exemplo. Assim como um diodo, os JFETs possuem uma zona de depleção ("Depletion Layer/Region") nas margens da junção PN. Enquanto há uma tensão igual a zero entre os terminais Porta e Fonte (Vgs = 0), a zona de depleção é pequena, o que permite a passagem de elétrons do terminal Fonte para o terminal Dreno e resulta no fluxo de corrente entre estes terminais (Id), como na imagem abaixo.

Já para interromper ou limitar a passagem de corrente no componente, é necessário aumentar a zona de depleção da junção PN, e para isso deve-se aplicar uma tensão reversa na mesma. Deste modo, a tensão no terminal Porta (Vg) deve ser menor que a tensão no terminal Fonte (Vs), o que gera uma tensão negativa entre estes terminais (Vgs < 0). Levando isso em conta, quanto mais negativa a tensão entre estes terminais, menor é a passagem de corrente no componente. Haverá um momento em que as zonas de depleção serão tão grandes que estarão se encontrando, como na imagem abaixo.

Neste momento é criada uma zona de "pinch-off" (beliscão/estreitamento), onde há pouquíssimo, ou nenhum, fluxo de corrente, o que resulta em um aumento na tensão entre os terminais Dreno e Fonte.

Para os JFETs de Canal P, a lógica é invertida, ou seja, a corrente é limitada quando a tensão no terminal Porta (Vg) for maior que a tensão no terminal Fonte (Vs), em outras palavras, quando a tensão entre estes terminais for positiva (Vgs > 0).

MOSFET

O MOSFET deve ser o transistor mais famoso de todos os modelos existentes, e seu nome é um acrônimo para "Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor" (Transistor de Efeito de Campo de Metal Óxido Semicondutor). Eles são subdivididos em duas categorias, os MOSFETs de Canal N e de Canal P, e cada uma dessas categorias é novamente subdividida em outras duas categorias, os MOSFETs de "Enhancement" (Enriquecimento) e os MOSFETs de "Depletion" (Depleção). Estes componentes possuem uma construção muito similar aos BJTs, com duas camadas N, ou P, para uma camada intermediária P, ou N, como na imagem ao lado.

Note que a subdivisão do componente é feita de acordo com o semicondutor que está conectado aos terminais "Drain" (Dreno - D) e "Source" (Fonte - S) e com a camada intermediária que está conectada ao terminal "Substrate" (Substrato - S), um terminal exclusivo de MOSFETs que normalmente está ligado internamente ao terminal Fontee do componente. Além disso, também é possível observar, com os símbolos, a diferença entre os modelos de Enriquecimento e de Depleção. Os MOSFETs de Depleção possuem os terminais Dreno, Fonte e Substrato interligados, diferentemente dos modelos de Enriquecimento, que possuem estes terminais separados.

O terminal "Gate" (Porta - G), por sua vez, está conectado à uma chapa de eletrodo metálico, que é intermediado por uma camada isolante de óxido metálico para os semicondutores do componente, como na imagem a seguir.

Assim como os JFETs, os MOSFETs, tanto de Enriquecimento quanto de Depleção, também são polarizados de acordo com a tensão aplicada sobre o terminal Porta, seja ela positiva ou negativa, e é através da variação de tensão aplicada sobre este terminal que é possível controlar a passagem de corrente pela Fonte. Além disso, pelo fato destes componentes apresentarem uma alta resistência no terminal de controle, é possível utilizar um sinal de baixíssima corrente para polarizá-los.

A diferença entre o acionamento dos MOSFETs de Enriquecimento e de Depleção é que, para o MOSFET de Enriquecimento e de Canal N, por exemplo, o mesmo não conduz corrente quando a tensão entre a Porta e a Fonte é menor ou igual a zero (Vgs < 0 ou Vgs = 0). A condução de corrente, por sua vez, é feita quando há uma tensão positiva entre os terminais Porta e Fonte (Vgs > 0). Já para o MOSFET de Depleção a condução de corrente é impedida somente quando a tensão entre os terminais Porta e Fonte é negativa (Vgs < 0), e a condução de corrente é permitida quando há uma tensão maior ou igual a zero nestes terminais (Vgs > 0 ou Vgs = 0), como na tabela a seguir.

Note na tabela acima que, para os MOSFETs de Canal P tanto de Enriquecimento quanto de Depleção, a lógica de acionamento é invertida. Em outras palavras, para o MOSFET de Enriquecimento, a passagem de corrente é impedida quando a tensão entre os terminais Porta e Fonte é maior ou igual a zero (Vgs > 0 ou Vgs = 0), assim como para o MOSFET de Depleção a passagem de corrente é impedida somente quando a tensão entre estes terminais é maior que zero (Vgs > 0).

Darlington

Os transistores Darlington têm esse nome em homenagem ao seu criador, Sidney Darlington, que criou um arranjo de dois transistores BJT NPN, ou PNP, em série (como na imagem abaixo), onde o Emissor do primeiro transistor é conectado à Base do segundo, para aumentar a sensibilidade de polarização.

Por serem compostos de dois transistores BJTs, os transistores Darlingtons possuem o mesmo funcionamento de um transistor BJT NPN, ou PNP, porém, isso causa o dobro de queda de tensão entre a Base e o Emissor, já que as quedas de tensão dos dois BJTs do conjunto são somadas.

Fototransistor

Os Fototransistores são basicamente BJTs que são polarizados a partir da presença de luz, porém, diferentemente dos outros modelos de transistores, os fototransistores só possuem o modelo tipo N. Por terem um funcionamento muito semelhante ao dos BJTs NPN, sua lógica de acionamento também é semelhante, já que é necessário um nível lógico alto para a passagem de corrente, ou seja, eles são polarizados com a presença de luz.

Note, na imagem ao lado, que neste modelo de transistor não há o terminal Base, presente nos BJTs, pois a luz é responsável por estabelecer uma junção PN nos semicondutores do componente, como na imagem a seguir.

Assim como os outros modelos de transistores, é possível controlar a corrente que passa pelo circuito de acordo com a intensidade luminosa aplicada sobre o componente.

BJT

Os BJTs possuem um conjunto de curvas muito característico, famoso e útil. Com ele podemos deduzir os valores fundamentais de operação deste modelo de transistor. O gráfico abaixo relaciona três grandezas do componente: a tensão entre o coletor e emissor (Vce), a corrente do coletor (Ic) e a corrente da base (Ib). Além disso, note que existem três áreas de funcionamento do BJT: a zona de Saturação, a zona Linear e a zona de Corte.

A região de Corte representa que a corrente da base (Ib) não é alta o suficiente para polarizar o transistor, ou seja, não está permitindo a passagem de corrente entre o Coletor e o Emissor. A região de Saturação, por sua vez, representa que a corrente na base (Ib) é tão alta que o transistor permite a passagem de corrente entre o Coletor e o Emissor livremente, como se fosse um curto circuito. Já a região Linear, ou de Operação, representa a faixa de resposta linear do transistor, de acordo com a corrente da base (Ib). Com este gráfico podemos determinar, através de uma curva de carga, os valores de operação do transistor em um ponto de Operação, ou ponto Quiescente (ponto Q), como é popularmente conhecido.

Note na imagem acima que, com uma carga que consome uma corrente de, aproximadamente, 12,5 mA no coletor em uma tensão de 10 V entre o coletor e o emissor, a corrente que deve ser aplicada na base para que o transistor seja polarizado é de 20 uA. Além disso, com este gráfico podemos calcular o beta (β) do BJT utilizado através da fórmula a seguir.

O beta, ou hfe, representa o ganho estático do transistor em emissor comum, uma das configurações possíveis do componente. Este valor é equivalente ao número de vezes que a corrente de controle é amplificada na corrente da carga. Utilizando o gráfico acima como exemplo, com a corrente do coletor sendo aproximadamente igual à 12,5 mA e a corrente da base sendo igual à 20 uA, temos um beta de 625, ou seja, a corrente de saída deste transistor foi ampliada em 625 vezes em relação à sua corrente de entrada.

Darlington

Como os Darlingtons são compostos de um conjunto de dois BJTs, os seus ganhos são relacionados para obter a corrente de saída do componente. A relação entre a corrente do Coletor, a corrente da Base e o ganho dos componentes é expresso através da fórmula a seguir.

Note que os betas de ambos os transistores do conjunto (β1 e β2) são utilizados para este cálculo, o que aumenta consideravelmente o ganho do conjunto em relação ao uso de um BJT único, porém é necessário saber o ganho de ambos os componentes do conjunto para calcular a corrente de saída de um sistema. Caso sejam utilizados dois transistores idênticos, este cálculo é simplificado e representado através da fórmula a seguir.

Desta forma, um Darlington composto de dois transistores idênticos possui um funcionamento semelhante ao de um único transistor, porém com um ganho muito grande.

MOSFET

O gráfico característico de FETs é muito similar ao de BJTs, já que ele também é composto de diversas curvas. Ele relaciona a tensão entre o dreno e a fonte (Vds) e a corrente no dreno (Ids), assim como a tensão na porta (Vgs), como na imagem a seguir.

A zona Ôhmica, ou zona de Triodo como é conhecida, do gráfico acima é similar à região de saturação dos BJTs. Nesta região, o componente opera como um resistor, normalmente de baixo valor, o que torna esse tipo de transistor mais vantajoso que o BJT em aplicações de corrente elevada. A zona de Corte representa que a tensão na porta é menor que a tensão de "Threshold" (Tensão Limiar - Vt), a tensão mínima para a polarização do componente. A região de Saturação, por sua vez, equivale à zona de operação dos BJTs, ou seja, é nesta região que a corrente do componente depende apenas da tensão aplicada no terminal controlador (Vgs).

O gráfico da esquerda na imagem acima representa a relação entre a corrente do dreno (Id) e a tensão na porta (Vgs) na região de saturação, que é uma função quadrática expressa através da fórmula a seguir.

A fórmula acima representa a corrente do dreno (Id) sendo igual ao produto da mobilidade de elétrons (un) com a capacitância do óxido (Coz) e com a largura do canal (W), sobre o dobro do comprimento do canal (L). Esta fração é multiplicada pela diferença quadrática da tensão entre a fonte e a porta (Vgs) e a tensão limiar (Vth).

Chave Eletrônica

Utilizar transistores como chave eletrônica deve ser uma das aplicações mais comuns e simples deste componente. Esta aplicação utiliza a característica do transistor para permitir a passagem de corrente, ou não, em seus terminais. Note no GIF abaixo que o LED só acende quando o transistor é polarizado, ao apertar do botão.

O exemplo acima acima utiliza o contato físico de um botão para polarizar o transistor, porém é simples trocar este botão pela porta digital de uma BlackBoard UNO, por exemplo.

Lógica Digital

Com transistores é possível criar lógicas digitais, para inverter o sinal de entrada, para criar uma lógica "OR" ou uma lógica "AND". Para criar uma lógica inversora, basta utilizar o coletor de um BJT, por exemplo, como uma saída digital. Para a lógica "AND", é necessário utilizar dois BJTs, por exemplo, onde o emissor de um é conectado diretamente ao coletor do outro, e a saída digital é aproveitada do emissor do segundo componente. Por fim, a lógica "OR" é criada através de dois BJTs, por exemplo, acoplados em paralelo, e com a saída digital vinda do emissor comum de ambos os componentes. Para entender melhor o circuito de cada lógica, observe as imagens a seguir.

Ponte H

Pontes H são velhos conhecidos do #MovimentoMaker, utilizados para controlar o sentido e velocidade de rotação de motores DC comuns. Esta ponte é composta de um conjunto de 4 transistores, onde há dois pares de transistores em série, como a lógica "AND" vista anteriormente. Porém, ao invés de ter sua saída lógica no emissor do segundo componente, a saída lógica está posicionada entre o emissor do primeiro transistor e o coletor do segundo componente. Isso faz com que seja possível controlar o sentido de rotação dos motores ao polarizar os transistores inversos do conjunto, como no GIF abaixo.

Note no GIF acima que, ao polarizar o primeiro transistor do lado lado esquerdo e polarizar o segundo transistor do lado direito, por exemplo, o circuito é completado, fazendo com que o motor gire em um sentido, e que o motor gire no sentido inverso ao polarizar os outros dois transistores.

Amplificador de Emissor Comum

Quando ouvimos sobre amplificadores, costumamos sempre pensar diretamente em amplificadores de som para guitarras ou microfones. Porém, para transistores, devemos pensar em Amplificadores de Sinal, onde temos uma alta impedância de entrada e uma saída com um ganho alto. O circuito mais comum desta aplicação utiliza a configuração de emissor comum com um divisor de tensão no terminal controlador do componente (Base ou Porta), como no diagrama a seguir.

Note que em Vin temos uma entrada de sinal e que a saída é aproveitada ainda no coletor do componente. O ganho deste tipo de amplificador também pode ser expresso em Decibéis (dB).

Optoacoplador

O optoacoplador é um componente eletrônico normalmente encapsulado como um CI, que aproveita do funcionamento de um fototransistor para operar como uma chave eletrônica. Eles são muito utilizados para combinar o nível lógico de diferentes tensões de operação, sem danificar o circuito, além de trabalharem como uma proteção, isolando dois circuitos distintos. Eles são compostos de um fototransistor e um LED, normalmente infravermelho, como na imagem abaixo.