3.1- A estrutura do transistor
A palavra transistor deriva 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.
O primeiro transistor
O primeiro transistor foi inventado nos laboratórios da Bell no dia 16 de dezembro de 1947 por William Shockley, John Bardeen e Walter Brattain. Este transistor era do tipo “de contato de ponto” e utilizava o germânio como material semicondutor.
A capacidade do transistor de amplificar sinais elétricos permitiu que em pouco tempo este dispositivo, muito menor e consumindo muito menos energia, viesse a substituir as antigas válvulas na maioria das aplicações eletrônicas, conforme o leitor poderá ver na figura abaixo.
O transistor, diferentemente das válvulas, não necessita de uma corrente adicional para aquecê-lo e é muito menor que a válvula “equivalente”.
Para entender como funciona um transistor vamos analisar sua estrutura básica, conforme mostra a figura 73.
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) e coletor (C).
Podemos obter a estrutura indicada de duas formas diferentes, o que leva a dois tipos de transistores. Podemos formar regiões na sequência N-P-N ou P-N-P. Para efeito do estudo inicial, vamos tomar como exemplo uma estrutura NPN, ou seja, um transistor NPN.
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.
3.2 – Polarização
Polarizar um transistor é aplicar em seus terminais tensões de polaridades apropriadas que o levem às condições normais de funcionamento.
Inicialmente vamos fazer uma polarização que nos permite apenas estudar o seu funcionamento. Na prática, existem diversas outras maneiras de polarizar o transistor e que estudaremos nos capítulos posteriores desta lição, e mesmo de outras.
Tomando o nosso transistor NPN como exemplo, para polarizá-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 próxima figura.
Para que o leitor entenda como isso é feito, 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 abaixo.
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 0,2 V, se o transistor for feito de germânio, e 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 próxima figura.
À 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 10 mA, 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.
Há 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”. Na figura anterior (b) temos um gráfico mostrando este fenômeno.
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 ela provoca. Transistores comuns podem apresentar “ganhos” de corrente entre 2 e 800, 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 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 poderemos na figura abaixo.
Aplicando então um sinal senoidal na base do transistor, ele provocará 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 é possível observar na figura abaixo.
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 próxima figura 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.
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 que pode ser visto na figura abaixo.
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 o leitor poderá ver na figura abaixo.
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 da 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 abaixo.
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 próxima figura.
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 da corrente na base provocam 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 pequena 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 tensão de saída, maiores que as correntes e tensões de entrada, isso significa que no circuito dado temos um ganho de potência.
3.3 – Configurações
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 poderá ser vista clicando-se na figura 84.
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, com isso, temos tanto ganho de tensão como ganho de correntes, elevados.
Como característica importante adicional 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 o leitor poderá na figura abaixo.
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 oportunamente como pode ser feita uma adaptação destas características, levando o circuito sempre ao melhor rendimento.
Outra configuração importante muito usada poderá ser vista pelo leitor na próxima figura.
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”.
Nela 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.
Na verdade, as 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 próxima figura.
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 emissor comum, porém maior do 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 abaixo temos transistores PNP nas três configurações, observando-se que, o que se inverte é apenas a polaridade da alimentação e, portanto, o sentido de circulação das correntes.
3.4 - O transistor na prática
Os primeiros transistores eram dispositivos simples, destinados a operar apenas com correntes de baixas intensidades, sendo por isso quase todos iguais nas principais características.
No entanto, com o passar do tempo ocorreram muitos aperfeiçoamentos nos processos de fabricação levando os fabricantes a produzirem uma enorme quantidade de tipos de transistores, capazes de operar não só com pequenas intensidades de corrente, como 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”, nas quais as características principais se mantêm.
Para as outras características, as diferenças são normalmente fornecidas pelos fabricantes na forma de folhas de dados (datasheets). A internet é especialmente interessante para a consulta, pois nela pode-se facilmente procurar todos os componentes de determinado tipo, quando digitamos suas características ou tipo.
E, conforme o leitor perceberá, além das correntes, tensões e ganhos, existem muitas outras informações importantes na forma de gráficos que, com o tempo o leitor aprenderá a interpretar.
Para que o leitor tenha uma ideia 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.
No entanto, na prática apenas algumas centenas podem ser considerados “principais” de forma que, possuindo um bom manual, o praticante dotado de suficiente conhecimento técnico consegue encontrar sempre um nestas centenas, capaz de substituir tipos considerados difíceis, fora de linha, dos milhões que existem por aí.
3.4.1 – Transistores de Uso Geral
Estes são transistores destinados a gerar ou amplificar sinais de pequena intensidade e de frequência 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 abaixo.
Os três terminais que saem destes invólucros 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.
Observe a existência de tipos extremamente pequenos em invólucros SMD (Surface Mounting Device), para Montagem Em Superfície. São componentes soldados nas placas “por cima” e através de máquinas, no processo de fabricação.
Podemos encontrar transistores de uso geral, tanto do tipo PNP como NPN e, tanto de germânio como de silício. A maioria dos transistores modernos é de silício, sendo que os de germânio são encontrados apenas em aparelhos antigos ou em aplicações onde as características especiais deste material possam ser necessárias.
Para melhor definir estes transistores, 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 10 V e 80 V.
fT - esta é uma abreviação que nos diz qual é a frequência máxima que o transistor pode operar, ou seja, a frequência de transição. Veja que à medida que a frequência 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 frequência pode ficar entre 1 e 200 MHz. Tipos comuns desta família são os: BC548, BC558, BC107, 2SB75, OC74, 2N2222, 2N107 etc.
3.4.2 – Transistores de Potência
Estes são transistores destinados a operar com correntes intensas, mas ainda com sinais de baixas frequências como, por exemplo, nos amplificadores de áudio, excitando diretamente os alto-falantes, fontes chaveadas, excitadores de motores em controles industriais, etc.
Como as pastilhas de silício de que são feitos os transistores tendem a se aquecer bastante, 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 a seguir temos alguns tipos de invólucros usados para os transistores de potência e também a sua montagem radiador de calor.
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. A figura abaixo mostra a montagem num dissipador.
Os transistores desta família operam com correntes de coletor máxima até de 15 ampères. Tensões máximas entre coletor e emissor na faixa de 20 V a 500 V são comuns e a frequência de transição para os tipos desta família varia entre 100 kHz, até perto de 40 MHz. Podemos citar como exemplo de transistores de potência os TIP31, TIP32, 2N3055, BD135, BD136, AD142 BU205, etc.
3.4.3 –Ttransistores de RF
Nesta família, incluímos transistores destinados a amplificar ou gerar sinais de frequências 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 abaixo.
Os tipos modernos são em sua maioria de silício, mas nos aparelhos antigos e em algumas aplicações especiais, 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 V a 30 V e as correntes máximas não superam os 200 mA. As frequências de transição são muito altas, chegando a valores como 1500 MHz para transistores usados em seletores de TV 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
próxima figura.
Ligando um transistor como amplificador, o sinal aplicado deve, ao mesmo tempo polarizar a junção base-emissor (supondo a configuração de emissor comum), como também “carregar” e “descarregar” o pequeno capacitor parasita que ali existe. Ora, como demora certo tempo para esta carga e descarga, antes do transistor entrar em operação, existe um pequeno retardo que torna o componente algo lento.
Mas, se o sinal aplicado na entrada for de muita alta frequência, ou seja, apresentar variações muito rápidas, o transistor não consegue acompanhá-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 o leitor poderá observar clicando na figura abaixo.
Assim, ao se projetar um transistor para aplicações em frequências 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.
3.4.4 - Aplicações de Alta Velocidade
A velocidade máxima de operação de diversos tipos de equipamentos eletrônicos é, em grande parte, limitada pelos efeitos que estudamos. Os microcontroladores e microprocessadores, por exemplo, contém milhões de transistores e as capacitâncias que eles apresentam influem muito na sua velocidade de comutação, ou seja, na velocidade que eles processam os sinais que correspondem às informações.
O segredo dos fabricantes para se aumentar a velocidade está basicamente na diminuição dessas capacitâncias, o que é conseguida com a elaboração de transistores cada vez menores na pastilha de silício dos chips. No entanto, esta diminuição traz problemas adicionais que o leitor conhecerá nas próximas lições. 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. Claro que isso é válido apenas para a comparação entre transistores com as mesmas dimensões de pastilha, conforme o leitor poderá observar na próxima figura.
Novos materiais, como o Arseneto de Gálio (Ga-As), 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.
3.5 - Tipos e identificação de terminais.
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, RF ou potência, se é NPN ou PNP, se é de germânio ou silício. (ver código Pro-Electron, na lição que trata dos diodos semicondutores).
Veja na próxima figura alguns transistores “2N” com a disposição de seus terminais.
Para os transistores com nomenclatura europeia, 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 NPN de uso geral de baixa potência ou áudio
BD136 - 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 abaixo o leitor poderá ver alguns transistores desta série com a disposição de terminais.
ANEXO – Válvulas
A3.1- A válvula diodo
Os diodos semicondutores, LEDs, diodos zener e outros que estudamos, são componentes relativamente modernos (na verdade, variações dos diodos mais antigas existem mesmo antes do que podemos chamar de eletrônica). Na verdade, antes destes componentes, funções semelhantes eram realizadas por outro tipo de componente, que apesar de terem uma aplicação mais limitada em nossos dias, precisam ser estudados.
Estes componentes pertencem à família das válvulas termiônicas ou, simplesmente válvulas.
Como já o diodo semicondutor, será interessante voltarmos no tempo e, verificar como foram desenvolvidas componentes equivalentes que são as válvulas diodo.
Trabalhando com Thomas Edison no seu laboratório, nos Estados Unidos em 1882, um pesquisador inglês chamado J. A. Fleming descobriu que, se no interior de uma lâmpada (recém inventada por Edison) fosse colocado um segundo eletrodo, conforme poderemos ver na figura 98, um fenômeno interessante podia ser observado.
Ligando uma bateria e um galvanômetro entre o eletrodo e o filamento, era possível constatar que circulava uma corrente quando o eletrodo ficava positivo em relação ao filamento, mas quando a bateria era invertida, nenhuma corrente fluía. Fleming demonstrou depois, já de volta ao seu laboratório na Inglaterra que aquele dispositivo consistia num caminho de “mão única” para a eletricidade (exatamente como o estudamos para o diodo semicondutor).
Fleming patenteou seu novo dispositivo no dia 16 de novembro de 1904, chamando-o de “válvula de dois elementos”(diodo), indicando-o para a função de retificar correntes elétricas (assunto que será abordado de forma mais intensa neste curso).
A explicação para o comportamento do dispositivo é simples: quando o filamento é aquecido, os elétrons de seu material são expulsos, formando em sua volta uma “nuvem”, denominada “carga espacial”.
Se o eletrodo colocado dentro do bulbo estiver positivo em relação ao filamento, ele atrai os elétrons dessa nuvem, estabelecendo assim uma corrente.
Por outro lado, se o eletrodo estiver negativo em relação ao filamento, então ele repele os elétrons e nenhuma corrente pode fluir através do dispositivo, conforme mostra a próxima figura.
Posteriormente esta estrutura foi aperfeiçoada com a colocação de um eletrodo adicional que era aquecido pelo filamento para fornecer os elétrons. Disso resultou a existência de dois tipos de válvulas diodo que são mostradas na próxima figura.
Em (a) temos uma válvula de diodo de aquecimento direto na qual o filamento tanto serve para aquecer o sistema como para emitir elétrons.
Em (b) temos a válvula diodo de aquecimento indireto na qual temos 3 elementos: filamento para aquecer o sistema, o catodo para emitir os elétrons e o anodo ou placa que serve para “captar” os elétrons emitidos.
As válvulas diodo podem ser encontradas ate hoje em rádios antigos, televisores, equipamentos de som, equipamentos industriais etc. No entanto, como o leitor pode observar esses componentes têm algumas desvantagens em relação aos componentes modernos à base de semicondutores.
Além de precisarem ser aquecidos para funcionar, exigindo assim o dispêndio de uma boa quantidade de energia, eles são grandes, precisando de uma boa ventilação. Entretanto, alguns adeptos do som de alto qualidade, afirmar que a qualidade de som obtida de um amplificador a válvula ainda é melhor do que a obtida pelos modernos aparelhos à base de semicondutores.
A3.2 - A Válvula Triodo
Do mesmo modo que os diodos semicondutores possuem um “equivalente” antigo que é a válvula diodo, podemos dizer que os transistores também possuem um “parente” distante em termos de componente, cujo comportamento lembra sua ação amplificadora.
Devemos observar, entretanto, que o parentesco do transistor com a válvula não vai além do fato dos dois poderem gerar sinais ou amplificar e que possuem três terminais básicos. Como na válvula a corrente passa através do vácuo e no transistor através de um meio sólido, que é material semicondutor, é comum encontrarmos referências aos transistores e diodos como “dispositivos de estado sólido”.
A válvula triodo surgiu quando foi colocado um terceiro elemento no interior de uma válvula diodo. Conforme estudamos na lição anterior, na válvula diodo estabelece-se um fluxo de elétrons entre o catodo e o anodo quando o anodo está positivo em relação ao catodo, e ainda um filamento aquece o catodo de modo a haver a emissão de elétrons. Mostramos isso na próxima figura.
Se entre estes dois elementos colocarmos uma espécie de grade metálica, através da qual os elétrons possam passar, verificamos que aplicando tensão nesta grade podemos controlar o fluxo destes elétrons.
Assim, se a grade for polarizada negativamente, ou seja, com uma tensão negativa em relação ao catodo, os elétrons serão repelidos pela grade e não conseguem chegar ao anodo, conforme o leitor poderá ver na próxima figura.
Nestas condições a corrente que circula entre o catodo e o anodo é praticamente nula. Se a tensão na grade for positiva, os elétrons serão atraídos e passarão em direção ao anodo, com a reprodução de uma corrente intensa conforme mostra a próxima figura.
Verifica-se que, em função da tensão aplicada à grade desta válvula, podemos controlar a intensidade da corrente entre o anodo e o catodo.
Uma pequena variação da tensão na grade da válvula produz uma grande variação da corrente de anodo, o que caracteriza uma “amplificação”.
Veja, entretanto, que diferentemente do transistor em que variações de corrente produzem variações de corrente, tratando-se, pois de um amplificador de corrente, a válvula triodo produz variações de corrente a partir de uma variação de tensão, ou seja, trata-se de um típico amplificador de tensão.
Na figura a seguir temos o símbolo usado para representar uma válvula triodo e também a polarização da válvula que é feita normalmente ligando-se um resistor entre a sua grade e a terra.
Com a ligação de um segundo resistor no catodo, fazemos com que ele fique mais positivo que a grade, ou seja, com que a grade fique “mais negativa” e assim as variações da tensão aplicada a entrada se traduzem em variações da corrente de saída ou ainda da tensão num resistor ligado ao anodo. Na figura abaixo temos a polarização de uma válvula triodo.
É interessante notar que, enquanto os transistores precisam de apenas alguns Volts para funcionar, as válvulas precisam de tensões elevadas para isso.
É comum a utilização de tensões entre 100 V e 500 V no anodo de uma válvula triodo para que ela possa funcionar, isso sem se falar no que precisamos para aquecer seu filamento.
Hoje em dia, o uso das válvulas triodo se restringe à transmissores de potências muito altas, como os usados nas estações com dezenas ou mesmo centenas de quilowatts. Tais triodos atingem dimensões enormes, sendo alguns refrigerados por complexos sistemas de circulação de água tal a quantidade de calor que desenvolvem.
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