Transistores Bipolares e assemelhados
Entre os semicondutores mais importantes está o transistor bipolar. Nesta lição analisamos este componente, assim como alguns outros derivados cujo princípio de funcionamento é o mesmo.
TRANSISTORES BIPOLARES
Sem dúvida alguma, os transistores bipolares são os mais importantes de todos os componentes da família dos semicondutores. Estes componentes são formados por três pedaços ou regiões de materiais semicondutores diferentes montadas numa estrutura conforme a mostrada na figura 1.
Apesar desta estrutura ser equivalente a diodos diodos montados de costas ela apresenta propriedades especiais que tornam o transistor um componente extremamente importante para as aplicações eletrônicas. Observe que, de acordo com as estruturas temos transistores do tipo NPN e PNP. A cada estrutura associamos três terminais denominados emissor (E), coletor ( C) e base (B). O sentido da corrente através do transistor depende do seu tipo.
Um transistor é capaz de amplificar uma corrente que circule entre a base e o emissor de modo que ela apareça aumentada entre o coletor e a bae, conforme mostra a figura 2.
Em outras palavras, uma pequena variação de corrente de base num transistor provoca uma variação maior da corrente de coletor. Se uma corrente de base de apenas 1 mA provoca uma corrente de base de 100 mA dizemos que o ganho do transistor ou hFE é 100.
Dependendo da aplicação podemos encontrar transistores de diferentes tamanhos e formatos com ganhos que vão de 5 a 10 000. Existem milhões de tipos de transistores que são identificados por códigos de fábrica, o que significa para que conhecer suas especificações é preciso consultar os manuais dos próprios fabricantes.
Símbolos e tipos
Na figura 3 mostramos os símbolos utilizados para representar os transistores bipolares e seus principais aspectos.
O tamanho do transistor determina a intensidade da corrente que ele pode controlar e portanto a potência que ele pode dissipar. Os transistores que devem dissipar altas potências normalmente são dotados de recursos para montagem em radiadores de calor.
O maior problema quen o eletricista vai encontrar quando trabalhando com transistores é na identificação dos seus terminais (emissor, coletor e bse). Existem diversos códigos adotados pelos fabricantes de modo que somente conhendo o tipo específico é possível saber como deve ser feita a sua ligação. Observamos que nem sempre o terminal do meio é a base!
Especificações
Os transistores encontrados nos equipamentos eletrônicos podem ser separados em três grandes categorias de acordo com suas especificações:
a) Uso geral
São transistores de pequenas dimensões projetados para trabalhar com sinais de baixas frequências e corrente contínua com correntes de até uns 200 mA no máximo. São transistores que amplificam sons em rádios, intercomunicadores, alarmes, porteiros eletrônicos e outras aplicações.
b) Potência
São transistores que operam com sinais de baixas frequências mas com grande potência. Estes componentes são dotados de recursos para montagem em radiadores de calor e podem dissipar potências de 5 a 200 Watts tipicamente. As correntes de coletor máximos podem chegar aos 15 amperes. Encontramos estes transistores em fontes de alimentação, amplificadores e no controle de motores, relês e solenoides.
c) Alta frequência
São transistores de pequena potência mas que podem operar com sinais de altas frequências chegando a mais de 1000 MHz. Estes transistores são usados em transmissores e receptores como amplificadores de sinais.
Outras especificações
Um problema que os leitores vão encontrar ao trabalhar com transistores é encontrar um substituto para um determinado tipo que tenha problemas e que não possa ser encontrado facilmente. De posse do número original pode-se chegar as especificações e com isso sair em busca de um que seja considerado equivalente. As principais especificações dos transistores são:
a) Tensões máximas
Vce(max) é a tensão máxima entre coletor e emissor; Vcb(max) é a tensão máxima entre coletor e base; Vbe(max) é a tensão máxima entre base e emissor. Quando acrescentamos o "o" ele indica que o terceiro terminal está desligado. Exemplo: Vceo(max) é a tensão máxima entre coletor e emissor com a base desligada (aberta). Em alguns casos pode ser indicada a tensão absoluta, como Vc, Vb e Ve.
b) Correntes máximas
As correntes máximas são indicadas pelos terminais. Por exemplo Ic(max) é a corrente máxima de coletor de um transistor.
c) Potências máximas
É a máxima potência que o transistor pode dissipar sendo indicada como Ptot ou Pmax ou ainda Pt.
d) Ganho
O ganho do transistor pode ser dado como beta (?) ou como hFE e pode variar entre 5 e 10 000 conforme o tipo de transistor. Em alguns casos os fabricantes dão para determinado tipo a faixa de ganhos que uma unidade pode ter. Por exemplo, o BC548 pode ter ganhos entre 125 e 800.
e) Frequência de transição
É a máxima frequência em que o transistor ainda pode funcionar como amplificador e portanto como oscilador. Esta freqüência é dada em Hertz (quilo ou mega) e varia bastante conforme o tipo de transistor.
Trabalhando com Transistores
Para fazer a substituição de um transistorobservamos principalmente que:
O substituto deve ter correntes e tensões máximas iguais ou maiores que o substituido
O substituto deve ter ganho maior ou igual ao substituido
O substituto deve ser capaz de operar com freqüência igual ou maior que o substituido
Deve ser do mesmo tipo: NPN ou PNP
Como os transistores são usados
Os transistores podem ser usados como dispositivos de controle (chaves eletrônicas) ou como amplificadores. As duas possibilidades são mostradas na figura 4.
Em (a) quando fechamos S1 a corrente de base que circula através de R aciona o transistor de modo que a corrente de coletor alimenta a lâmpada. Com uma corrente de base muito baixa podemos controlar uma corrente de coletor muito maior para a lâmpada.
Em (b) o sinal aplicado na base do transistor provoca pequenas variações da corrente que se traduzem em variações maiores da corrente de coletor. Com isso, no coletor o mesmo sinal aparece com uma amplitude maior, ou seja, amplificado.
Os modos como os transistores são polarizados e como os sinal são aplicados e retirados dos seus elementos varia e dá origem a três configurações básicas que são mostradas na figura 5.
Em (a) temos a configuração de emissor comum que é a que apresenta maior ganho de potência. Em (b) temos a configuração de coletor comum que tem ganho de corrente elevado mas baixo ganho de tensão e em (c) a configuração de base comum que tem baixo ganho de tensão e de corrente mas que opera bem com sinais de frequências elevadas. A configuração a ser usada depende do tipo de sinal e do circuito.
Normalmente, nos circuitos eletrônicos um único transistor não é suficiente para se obter a amplificação ou controle desejados o que significa que diversos transistores devem ser ligados em conjunto e deve ser proporcionado um meio para que os sinais passem de um para outro sem problemas.
Num amplificador de áudio por exemplo, temos transistores de pequenos sinais na entrada que pegam os sinais dos microfones e vão aumentando sua intensidade até chegar a transistores de alta potência que entregam este sinais ao alto-falante.
Em (a) temos um acoplamento RC (resistor e capacitor), em (b) um acoplamento LC ; em (c) usamos um transformador e em (d) fazemos um acoplamento direto denominado Darlington.
Teste e Identificação
O leitor que apenas tomando seu primeiro contacto com a eletrônica poderá se ver diante de muitos aparelhos que usam transistores e apresentam falhas. Como proceder neste caso?
Cada etapa de um aparelho pode ter um ou mais transistores e estes componentes podem ter problemas. O procedimento mais comum para se identificar falhas em circuitos com transistores é através da medida das tensões nos terminais desses componentes usando um multímetro.
De uma forma geral, para os transistores NPN, a tensão de coletor é mais alta que a tensão de base e de emissor e a tensão de base deve estar entre 0,6 e 0,7 V acima da tensão de base. Para os transistores PNP as tensões estão "invertidas" conforme mostra a figura 6.
O teste estático, com o transistor fora do circuito pode ser feito medindo-se as resistências entre as junções que devem comportar-se como diodos. O teste básico é feito com o multímetro numa escala intermediária de resistências e consta de 6 medidas que são mostradas para os transistores NPN e PNP na figura 7.
As provas supõem que a bateria interna do multímetro aplica a tensão positiva na ponta vermelha. Observamos que existem alguns multímetros em que isso não ocorre. O leitor deve verificar experimentando num transistor que saiba estar em bom estado. Nesta prova as resistências consideradas altas devem estar acima de 200 000 ohms e as baixas entre 0 e 5 000 ohms tipicamente. Uma resistência entre 20 000 e 100 000 ohms onde deveria ser muito alta (infinita) representa um transistor com fugas. E, se esta resistência for nula, o transistor estará em curto.
FOTOTRANSISTORES
Como no caso dos foto-diodos, se as junções de um transistor forem expostas à luz, o componente reage com alterações de suas correntes. Isso significa que, transistores que tenham invólucros transparentes ou com janelas, podem ser usados como sensores de luz. Neles, é comum que se utilize a corrente que passa entre o coletor e o emissor (mantendo a base desligada) a qual depende da quantidade de luz incidente.
Os fototransistores são usados da mesma forma que os fotodiodos apresentam uma boa velocidade e sensibilidade. Observamos que os fototransistores podem perceber luz ultravioleta e infravermelha que são invisíveis para nós.
Símbolo e tipos
Na figura 8 mostramos o símbolo adotado para representar o fototransistor e os aspectos mais comuns.
Especificações
Como muitos outros componentes, os fototransistores são especificados por um código de fabricação sendo preciso obter as suas folhas de caracteristicas para saber mais do seu coportamento elétrico. Dentre as principais características que devem ser observadas temos:
a) Tipo - se NPN ou PNP
b) Tensão máxima entre coletor e emissor
c) Faixa de comprimentos de onda em que ele é mais sensível
d) Potência máxima de dissipação
Onde e como são usados
O leitor poderá encontrar fototransistores numa infinidade de equipamentos que trabalham com a detecção de luz, como por exemplo alarmes, controles remotos, sistemas de iluminação automática, controles automaticos de brilho, etc. Como os fototransistores são muito mais rápidos que os LDRs eles possuem usos diferemtes. Assim o eletricista encontra LDRs como detectores de luz onde as mudanças de intensidade são lentas, enquanto os fototransistores são encontrados em aplicações onde as variações são muito rápidas ou ainda onde informação deva ser transmitida através de raios de luz.
Para aumentar a sensibilidade e diretividade de um fototransistor é comum utilizar-se recursos ópticos como lentes, conforme mostra a figura 9.
A lente pode concentrar mais luz no fototransistor que deve ser posicionado de modo a ficar no seu foco.
ACOPLADORES ÓPTICOS
São dispositivos formados por um LED infravermelho e um fototransistor ou outro tipo de fotosensor (fotodiodo, por exemplo) instalados num invólucro hermético. O LED ilumina o fototransistor de modo que a luz emitida por um possa ser recebida pelo outro. Se um sinal é aplicado ao LED fazendo sua luz variar, estas variações serão captadas pelo fototransistor de tal forma que temos a passagem do sinal de um para o outro sem a necessidade de conexões elétricas. Com o uso deste dispositivo podemos isolar um circuito do outro deixando apenas o sinal passar.
Símbolo e aspecto
Na figura 10 temos o símbolo adotado para representar este componente assim como o aspecto mais comum.
Especificações
As especificações mais importantes dos acopladores ópticos que normalmente são designados por códigos de fábrica são:
a) Caracteristicas do LED emissor que incluem a tensão de operação e corrente máxima além do comprimento de onda usado.
b) Caracteristicas do receptor (fototransistor) que consistem na tensão máxima coletor-emissor, corrente máxima e potência de dissipação.
c) Características de isolamento, ou seja, a tensão máxima que pode aparecer entre o emissor e o receptor, normalmente na faixa entre 3000 e 7000 volts.
Onde são usados
O leitor encontrará acopladores ópticos em aplicações onde se deseja isolar dois circuitos, normalmente um delicado e outro ligado na rede de energia. Um caso é em placas de interfaceamento de microcontroladores onde se controla alguma coisa ligada à rede de energia. O microcontrolador é isolado da aplicação pela presença de acopladores ópticos no circuito de controle.
Como testar
Os acopladores ópticos são testados fazendo-se uma verificação independente do funcionamento do LED e do fototransistor. Pode-se alimentar o LED com um circuito de prova (ver prova de LEDs) e verificar-se se a corrente no transistor varia.
Índice:
Introdução
Parte 1 - As diferenças entre eletricidade e eletrônica
Parte 2 - Circuitos e componentes
Parte 3 - Diagramas, Símbolos e Componentes
Parte 4 - Componentes Passivos – Os Resistores
Parte 5 - Componentes Passivos – Capacitores e Indutores
Parte 6 - Componentes Passivos – Outros componentes indutivos
Parte 7 - Semicondutores – Materiais- Diodos e LEDs
Parte 8 - Transistores Bipolares e assemelhados
Parte 9 - Outros tipos de transistores
Parte 10 - Outros componentes semicondutores – IGBTs e Tiristores
Parte 11 - Outros componentes da família dos tiristores – Displays e válvulas
Parte 12 - Os circuitos integrados
Parte 13 - Circuitos Digitais – Microcontroladores - DSPs – Invólucros
Parte 14 - Diagnóstico e reparação
Parte 15 - Circuitos Práticos - Como funcionam
Parte 16 - Outros dispositivos eletrônicos
