Análise do comportamento e da importância do transistor em circuitos eletrônicos

1. Resumo

Com o objetivo de analisar o comportamento e a importância do transistor em circuitos eletrônicos, realizou-se a montagem de três tipos de circuitos: um biestável, um monoestável e outro astável. Tendo a finalidade de controlar correntes elétricas, o transistor é constituído da junção de dois materiais de naturezas diferentes (geralmente notados como P ou N), que podem ter características condutivas interessantes para a passagem (ou não) de corrente no coletor, emissor e base deste dispositivo. Na realização da prática notou-se, através do acender ou apagar das lâmpadas, como se comportava os circuitos. No biestável, observou-se a construção de um dispositivo caracterizado por dois estados estáveis que só se alteram na presença de um pulso de entrada. Já no monoestável há apenas um estado estável, que também se altera com a presença de um pulso de entrada. Finalmente, o circuito astável independe de pulso externo para mudar o estado em que se encontra.

2. Introdução

Em 1951, Willian Schockley inventou o primeiro transistor de junção, um dispositivo semicondutor que pode ampliar (aumentar) um sinal eletrônico como um sinal de radio ou televisão.

Em uma tarde de 23 de setembro de 1947, Walter H. Brattain e John Bardeen demonstraram a ação de amplificação do primeiro transistor nos laboratórios da Bell Teleplone Laboratories. O primeiro transistor foi chamado de transistor de ponto de contato, o antecessor do transistor de junção inventado por Schockley.

O transistor deu origem a muitas outras invenções incluindo os circuitos integrados (CIs), pequenos dispositivos que contem milhares de transistores. Em virtude ao CI, os modernos computadores e outros milhares de eletrônicos tornaram-se possíveis. [1] O termo vem de transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.

Existem dois modos básicos de ajustar o ponto de operação de um transistor: polarizando a base e polarizando o emissor. O processo de transferência de resistência, no caso de um circuito analógico, significa que a impedância característica do componente varia para cima ou para baixo da polarização pré-estabelecida. Graças a esta função, a corrente elétrica que passa entre coletor e emissor do transistor varia dentro de determinados parâmetros pré-estabelecidos pelo projetista do circuito eletrônico. Esta variação é feita através da variação de corrente num dos terminais chamados base, o que, consequentemente, ocasiona o processo de amplificação de sinal. A polarização da base é mais aplicada em circuitos de chaveamento, enquanto polarização do emissor é predominante em circuitos amplificadores.

2.11 Estrutura

Um transistor tem três regiões dopadas, conforme mostrado na Figura 1. A região inferior é chamada de emissor, a região do meio é a base e a região superior é o coletor. Em um transistor real, a região da base é muito mais estreita comparada com as regiões do coletor e do emissor. O transistor da Figura 1 é um dispositivo npn porque existe uma região p entre duas regiões n.

Figura 1: A estrutura de um transistor npn. [1]

Figura 2: Correntes no npn. [1]

Os transistor podem ser produzidos também como dispositivos pnp. Um transistor pnp tem uma região n entre duas regiões p. Veja a Fígura 3.

Figura 3: Transistor pnp. [1]

Cada uma das três camadas recebe um nome específico, onde uma das extremidades é o emissor, a central é a base e a outra extremidade é chamada coletor.

Emissor

É constituído por um semicondutor densamente dopado, sua função é emitir elétrons, ou injetar elétrons na base.

Base

É um semicondutor levemente dopado e muita fina permite que a maioria dos elétrons injetados pelo emissor passe para o coletor.

Coletor

Junta ou coleta elétrons que vem da base, é a parte mais extensa dos três, portanto dissipando mais calor.

A estrutura de um transistor tem duas junções: uma entre o emissor e a base e outra entre o coletor e base. Sendo similar a dois diodos virados costa com costa. O diodo debaixo é chamado de diodo-base emissor ou simplesmente diodo emissor. O diodo de cima é chamado de diodo-base coletor ou diodo coletor. [2]

2.12 Polarização do transistor

Polarizar um transístor significa aplicar uma tensão contínua em cada um dos seus terminais para que o mesmo possa desempenhar suas funções nos circuitos. [5] É por causa da polarização que os equipamentos eletrônicos devem ser alimentados com pilhas, baterias ou a partir da tensão da rede elétrica.

NPN - Funcionam com tensão maior no coletor, média na base e menor no emissor. A tensão da base é só um pouco maior que a do emissor.

PNP - Funcionam com tensão maior no emissor, média na base e menor no coletor. A tensão da base é só um pouco menor que a do emissor. [4]

2.13 Característica do transistor

Existem três configurações básicas dos circuitos transistorizados, onde um dos eletrodos é comum à entrada e à saída do sinal: emissor comum, base comum e coletor comum. As propriedades de cada configuração são descritas na Tabela 1 abaixo:

Tabela 1: Configuração dos circuitos transistorizados.

Base Comum Baixa impedância(Z) de entrada Alta impedância(Z) de saída Não há inversão de fase Amplificação de corrente igual a um

Emissor Comum Média impedância(Z) de entrada Alta impedância(Z) de saída Há inversão de fase (defasagem de 180°) Pode amplificar tensão e corrente

Coletor Comum Alta impedância(Z) de entrada Baixa impedância(Z) de saída Não há inversão de fase Amplificação de tensão igual a um

Os transistores possuem diversas características. Seguem alguns exemplos dos parâmetros mais comuns que poderão ser consultadas nos datasheets dos fabricantes: Tipo (é o nome do transistor); Pol (polarização; negativa quer dizer NPN e positiva significa PNP); VCEO (tensão entre coletor e emissor com a base aberta);