Curso de electrónica - parte 05 Transistor

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A primeira versão do que veio a ser o transístor foi criada em 1945 por uma equipe do Bell Labs, composta por John Bardeen, Walter Brattain e chefiada por Willian Shockley. Este transístor primordial era feito com um cristal de germânio prensado entre duas folhas de ouro. Três anos depois, a custo de um milhão de dólares em pesquisas, a Bell possuía o seu primeiro amplificador de semicondutor. Esta versão inicial era conhecida como transístor de contacto de ponta.

O transístor possui três eléctrodos; portanto, é também um tríodo. Um dos electrões é chamado de base, outro de emissor e, o terceiro de colector. Os transístores substituem as válvulas a vácuo em todas as suas funções. Ver figura 1.



Semicondutor
Numa lição anterior vimos que os corpos, quanto à facilidade com que eles podem conduzir a corrente, costumam ser classificados em condutores, semicondutores e isolantes. Para o estudo do transístor, o mais importante é o semicondutor. Os materiais mais importantes, actualmente, na fabricação de transístores e doidos são: germânio, silício, índio, arsénio, fósforo, gálio, etc. O semicondutor, é um mau condutor. Está mais perto dos isolantes do que dos condutores. Entretanto, quando se adiciona alguma substancia a um semicondutor, como o germânio e o silício, suas propriedades eléctricas sofrem profundas modificações. A substancia que se adiciona ao semicondutor puro é chamada de impureza e chama-se de dopagem ao ato de adicionar tais impurezas.

Tipos de impurezas
Existem dois tipos de impurezas. A doadora e a aceitadora. Consideremos o semicondutor germânio, figura 2.


Ele, é formado por átomos de germânio. Cada átomo está ligado aos seus vizinhos através de quatro electrões. Suponhamos agora que ao germânio puro, como vemos na figura 3, seja dopado com fósforo, que é uma substancia que tem cinco electrões rodeando o átomo.


Essa substancia adicional ao germânio constitui uma impureza. Essa impureza tem cinco electrões e o germânio somente quatro. Ora, quando se misturam germânio e fósforo, quatro electrões do fósforo se unirão ao germânio e um de cada átomo ficará livre, porque não pode juntar-se à estrutura do germânio, uma vez que lê só aceita quatro. Como o fósforo cedeu um electrão ao germânio, ele, fósforo, é chamado de impureza doadora. Se ligarmos uma bateria a esse material, o electrão livre se moverá através do material para o pólo positivo da bateria. Há, então, passagem de corrente eléctrica constituída por electrões. o semicondutor formado é chamado de semicondutor do tipo N (negativo), já que os portadores de carga são os electrões. Existe outra possibilidade. Ao invés de dopar o germânio com fósforo, vamos adicionar a ele uma substancia que tenha somente três elétrons na última camada, como o boro, por exemplo. Então, haverá um electrão a menos na ligação. Dizemos que há um buraco ou vazio (figura 4).


Quando um electrão da estrutura se dirige à lacuna para completar a ligação, o átomo de onde veio fica carregado positivamente, porque era neutro e perdeu uma carga negativa. Isto equivale a dizer que o átomo que cedeu o electrão ganhou uma lacuna. Se outro electrão vem preencher a lacuna e restabelecer o equilíbrio do átomo, deixará, no átomo de onde partiu, outro buraco positivo (lacuna). Deste modo, as lacunas se movem no semicondutor e com a particularidade de o movimento das lacunas acontecer em sentido contrário ao dos electrões. A impureza do boro é chamada de aceitadora. O germânio dopado com boro é chamado de semicondutor P, porque a maioria dos portadores de carga é lacunas. Convém observar que os semicondutores do tipo P ou N, no estado natural, permanecem electricamente neutros, porque a carga de cada electrão fica equilibrada pela carga positiva que existe no núcleo. Alem disso, se às extremidades de uma barra de qualquer desses semicondutores for ligada uma bateria, haverá passagem de corrente normalmente, ou seja, do pólo negativo para o positivo da bateria. Ainda mais, se os pólos da bateria forem invertidos, inverter-se-á também o sentido da corrente mas a intensidade permanecerá a mesma. Materiais do tipo P ou do tipo N podem ser dopados de maneira a apresentarem valores exatos de resistividade na construção de resistências internos a circuitos integrados.

Junção PN

Vamos justapor uma barra de semicondutor P e outro N. Formamos, o que se chama de junção PN. Quando isso acontece, na superfície da junção sucede o seguinte: os electrões do semicondutor N passam rapidamente através da superfície da união e vão preencher os buracos do semicondutor do tipo P. Essa transferência não dura indefinidamente, porque cada electrão que sai do semicondutor N deixa uma carga positiva e cada lacuna que é preenchida pelo electrão deixa uma carga negativa, já que, os dois semicondutores são electricamente neutros. Então, logo se forma uma camada de cargas positivas no semicondutor N e outra negativa no P. Essas duas camadas impedem o prosseguimento da difusão, isto é, da passagem dos electrões para a região P e das lacunas para a região N. Essas duas camadas formam um obstáculo ao movimento das cargas maioritárias, que é chamada de barreira de potencial. Ela é equivalente a uma pilha imaginária, como ilustra a figura 5.



Funcionamento da junção
Feita a junção da maneira explicada, vamos ligar aos seus extremos uma bateria e verificar o que acontece. Inicialmente, liguemos o pólo positivo da bateria à região P e o negativo à região N, como mostra a figura 6. Nesta situação, as lacunas da região P são empurradas para a região de contacto, e os electrões da região N também são empurrados para a região de contacto. O pólo positivo atrai os electrões e o negativo atrai as lacunas. Assim, no semicondutor, a corrente é formada pelo movimento dos electrões e das lacunas. Quando a bateria é ligada da maneira descrita, o pólo positivo ao semicondutor P e o negativo ao N, diz-se que a junção está polarizada no sentido directo, que corresponde ao sentido em que há passagem de corrente. Se a bateria estiver ligada como mostra a figura 6, o terminal negativo atrai as lacunas e o positivo os electrões. Tanto electrões como lacunas ficam concentrados nos extremos dos semicondutores, e não ha passagem de corrente. Isto é a mesma coisa que aumentar a barreira de potencial. Dizemos que a junção está polarizada no sentido inverso. Uma junção deste tipo, PN, é chamada de díodo. Por essa razão, os díodos formados pelas junções PN de semicondutores, como o germânio e o silício, são largamente utilizados em electrónica. Na figura ao lado vemos a simbologia do díodo. O A é o ânodo, este é o lado por onde entra a corrente e o K, é o cátodo por onde sai a corrente (sentido convencional).



Estrutura do transístor
Dois semicondutores do tipo N, tendo entre si um semicondutor do tipo P, ou dois semicondutores do tipo P, tendo no meio um semicondutor do tipo N, formam o componente que recebe o nome de transístor. No primeiro caso, o transístor é do tipo NPN e, no segundo PNP. Na figura 7, mostramos as representações de um transístor tipo NPN e outro PNP. Cada semicondutor é unido a um terminal metálico para ligá-lo ao circuito externo. A fatia do meio, recebe o nome de base e as laterais de emissor e colector, respectivamente. Na figura 8, mostramos a simbologia dos dois tipos de transístores.
Consideremos um transístor NPN e polarizemos a junção emissor-base no sentido directo, e a junção colector-base, no sentido inverso como mostra a figura 7. 1- Na junção NP emissor-base, os electrões são empurrados pelo pólo negativo da bateria, até à base. Ai, uma pequena parte deles se recombina com as lacunas, que são poucas, já que a base é muito fina. 2- A bateria que alimenta o coletor está em série com a bateria que alimenta o emissor; portanto, ela reforça o efeito desta última e atrai os elétrons que passam pela base. Assim, praticamente todos os electrões que partiram do emissor atingem o colector, e a corrente do coletor é quase a mesma do emissor. 3- O outro transístor PNP, está com as ligações invertidas em relação ao NPN. Os portadores de corrente, agora, são as lacunas. As explicações que demos para o funcionamento do transístor NPN valem para o PNP, com a diferença de que agora, o fluxo é de lacuna. 4- Nas duas polarizações da figura 8, o sentido da corrente é o real. 5- Tanto o emissor como o colector são feitos do mesmo tipo de semicondutor. Entretanto, o colector é mais volumoso que o emissor, como mostra a figura 9.


Uma forma de medir o transístor com o multímetro digital é usando a escala do díodo.

EX de um BJT PNP BC538 em bom estado:
1 - Positivo no C e negativo na B = 0,704
2 - Positivo no E e negativo no E = 0,707
3 - Negativo no C e positivo na B = 1
4 - Negativo no E e positivo no E = 1
5 - Negativo no C e positivo na E = 1
6 - Negativo no E e positivo na C = 1

Como pode ver a leitura mais baixa é 0,704, logo estamos a medir entre BC. O positivo vai no C, logo P (positivo). Esta medição não nos dá o valor do ganho mas é muito útil para saber se o transístor está bom. Com a medição anterior podemos dizer que o ganho está bom.


José António Flor de Sousa

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BJT – Bipolar Junction Transistor
FET – Field Effect Transistor
José Flor



Informação sobre o BC548 e o BC558

José António Flor de Sousa

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Duas famílias de transístores de uso geral aparecem como grandes vedetes de todos os projectos actuais que envolvem eletrônica. Podemos dizer que, sem eles, não seria possível fazer nem metade do que hoje publicamos em matéria de projectos e do que já foi publicado nos últimos 15 anos. Esses pequenos dispositivos maravilhosos fazem (quase) tudo que podemos imaginar em eletrônica, e é muito importante que todo montador de projectos mecatrónicos ou electrónicos conheça todas suas características e limitações. Neste artigo‚ é justamente isso que fazemos: vamos ensinar como usar os semicondutores básicos da maioria das montagens: os transístores NPN e PNP-BC548 e BC558-e seus parentes próximos os BC547, BC557, BC549 e BC559.
Praticamente em todas as listas de materiais de projectos publicados no Brasil, indicamos um transístor de uso geral NPN ou PNP da série BC548 ou BC558.
A maioria dos leitores sabe como obter esses componentes e os utiliza sem maiores preocupações. No entanto, aquele que tem na sua caixinha de componentes diversos desses pequenos maravilhosos, por acaso sabe o que eles realmente são, como funcionam e como podemos usá-los em projectos próprios?
O leitor também sabe que pode utilizá-los como equivalentes de centenas ou mesmo milhares de transístores que são recomendados em projectos de revistas estrangeiras ou mesmo nacionais mais antigas, sem problemas?
Conhecendo as características desses transístores, o leitor pode obter muito mais deles e é justamente isso o que vamos ensinar neste artigo.


TRANSÍSTORES DE USO GERAL
Na classificação que se costuma fazer dos transístores, o grupo dos "transístores de uso geral" é aquele mais tem mais elementos.
Esse grupo é formado por transístores que têm basicamente as seguintes características:

• Trabalham com tensões na faixa de 10 a 50 volts, tipicamente.
  
• A corrente máxima de colector varia entre 30 e 200 mA.
  
• O ganho é médio, podendo variar entre 100 e 900.
  
• A faixa de frequências de corte varia entre 10 e 200 MHz, se bem que eles sejam basicamente indicados para operar com sinais de áudio (baixas frequências).
  
• A dissipação máxima está na faixa de 50 a 500 mW.
  Esses transístores são encontrados normalmente em encapsulamento plástico de baixa dissipação, como o SOT-54, conforme mostra a figura 1, e para os tipos mais antigos em encapsulamento metálico (TO).
  
  

Conforme vemos, mesmo sendo indicados para operar com sinais de áudio e correntes contínuas, eles também podem oscilar em alguns casos em frequências que chegam até a faixa dos 80 ou 90 MHz. Todavia, como isso não é regra geral, se precisarmos de um para esta finalidade, talvez tenhamos de experimentar diversos num mesmo lote até obter um "que funcione".
O leitor deve levar em conta que os transístores, como qualquer componente electrónico, possuem uma tolerância para suas características.
Assim, da linha de montagem, é muito difícil que saiam todos os transístores exactamente iguais, ou seja, com todas as características tendo exactamente os mesmos valores.
Para um lote de transístores que seja "carimbado" com um mesmo número, podemos ter enormes variações de ganho, conforme veja a figura 2.



Logo, tomando como base o BC548 que é um dos tipos abordados neste artigo, seu ganho pode variar entre 75 e 800.
O leitor já percebe que se for feito um projecto que exija um transístor com ganho 400 para um bom funcionamento, uma parte dos BC548 funcionará e outra não, conforme o ganho esteja acima ou abaixo deste valor! Atente para a figura 3.



Em nossos projectos procuramos sempre fazer com que seu funcionamento ocorra com o ganho mínimo de modo que qualquer transístor do mesmo tipo funcione, e somente quando for exigida uma unidade de maior ganho é que alguma observação será feita.
Porém, o próprio leitor ao fazer um projecto experimentalmente, pode não levar isso em conta: monta-se um protótipo e ele funciona e depois as cópias (algumas sim e outras não)!
De qualquer forma, mesmo considerando-se a enorme faixa de características que transístores de um mesmo tipo ou família tenham, os transístores de uso geral podem ser empregados nos seguintes tipos de circuito:

• Amplificadores de áudio
  

Sinais de baixas intensidades podem ser amplificados por estes transístores em mixers, pré-amplificadores, circuitos de efeitos de som e mesmo amplificadores cuja potência de saída seja no máximo de 1 watt.

• Osciladores
  

Osciladores para a faixa de baixas frequências entre 1 Hz e 100 kHz, ou mesmo de RF cujas frequências possam chegar a algumas dezenas de megahertz podem ser elaborados com estes transístores.

• Circuitos de corrente contínua
  

Podemos aplicar estes transístores para aumentar o poder de excitação de circuitos integrados, excitando LEDs, relés, solenidades, pequenas lâmpadas e dispositivos cujo consumo não supere os 50 ou 100 mA, conforme os tipos usados.
OS BC548/BC558
Muitas famílias de transístores de uso geral surgiram nos últimos tempos.
Assim, nas publicações técnicas e manuais podemos encontrar muitos tipos, alguns dos quais evoluíram e até hoje são usados. Temos, então, as famílias independentes e as que foram cedendo seus lugares a tipos mais modernos.
A família que nos interessa em especial é a que começou com os transístores BC107, BC108 e BC109, e que culminou com os BC547, BC548 e BC549 para a série NPN.
Para a série PNP a família começou com os BC177, BC178 e BC179 e actualmente está nos BC557, BC558 e BC559.
Mas, afinal, o que fazem estes transístores?
Veja que numa família temos três tipos que, basicamente, se diferenciam pelo ganho e pela tensão máxima de trabalho (tensão máxima entre colector e emissor quando a base se encontra desligada ou Vceo).







A corrente máxima de colector destes transístores é 100 mA e todos dissipam 500 mW.
Além do ganho maior, os tipos de final 9 se caracterizam por terem um baixo nível de ruído.
O que ocorre é que o próprio transístor, quando usado como amplificador de sinais muito fracos, introduz um ruído devido a agitação térmica dos átomos do material semicondutor. Esse ruído causa um "chiado" semelhante ao que temos num rádio fora de estação. Os tipos de final 9 têm uma característica de menor nível deste ruído.
Para os BCs que vimos, os invólucros usados são do tipo exibido na figura ao lado.




OS "PARENTES"
Damos, a seguir, uma relação de transístores com características próximas às dos BC548/BC558. Isso significa que, em princípio, num projecto, os transístores indicados podem ser substituídos por um correspondente das famílias BC548/BC558, sem muitos problemas.
Evidentemente, as equivalências não são totais, pois todos os componentes possuem grandes tolerâncias, mas podem servir de referência para que o leitor saiba se pode ou não usá-los num projecto:

NPN	PNP	Invólucro	Obs.
BC107	BC177	(1)	-
BC108	BC178	(1)	-
BC109	BC179	(1)	-
BC207	BC204	(2)	-
BC208	BC205	(2)	-
BC209	BC206	(2)	-
BC237	BC307	(3)	-
BC238	BC308	(3)	-
BC239	BC309	(3)	-
BC317	BC320	(4)	Ic = 150 mA
BC318	BC321	(4)	Ic = 150 mA
BC319	BC322	(4)	Ic = 150 mA
BC347	BC350	(5)	-
BC348	BC351	(5)	-
BC349	BC352	(5)	-
BC167	BC257	(6)	Ic = 50 mA
BC168	BC258	(6)	Ic = 50 mA
BC169	BC259	(6)	Ic = 50 mA
BC182	BC251	(7)	Ic = 200 mA
BC183	BC252	(7)	Ic = 200 mA
BC184	BC253	(7)	Ic = 200 mA
BC582	BC512	(8)	Ic = 200 mA
BC583	BC513	(8)	Ic = 200 mA
BC584	BC514	(8)	Ic = 200 mA
BC413	BC415	(9)	Baixo Ruído
BC414	BC416	(9)	Baixo Ruído
BC437	-	(10)	-
BC438	-	(10)	-
BC439	-	(10)	-

Na figura 5 temos os aspectos dos invólucros destes transistores com a identidicação dos terminais.



Transistores "2N"
Na nomenclatura americana os transistores são especificados por um 2N seguido de números. Para a série de transistores de uso geral mais conhecida, também encontramos os tipos 2N populares que aparecem na maioria das publicações técnicas como os 2N3906, 2N3904 e outros. Esses transistores podem, na maioria dos projetos, ser substituídos pelos equivalentes BC NPN ou PNP.


CIRCUITOS
Existem diversas configurações típicas que podem ser encontradas para estes transistores. Analisemos algumas delas:

a) Excitador de LEDs
Quando tivermos uma fonte de corrente contínua de baixo nível de corrente, por exemplo a saída de um circuito integrado CMOS, poderemos usar tanto um transistor NPN quanto PNP para ter a excitação de um LED ou lâmpada de até uns 50 mA de corrente.
No circuito mostrado na figura 6 no esquema superior o LED acende quando a saída do integrado estiver no nível alto, ou seja, quando houver uma tensão positiva na saída. No circuito mostrado no circuito inferior o LED acende quando a saída do integrado estiver no nível baixo, ou seja, for 0V.
José Flor - Calculo: R=V-Diodo-LED/Corrente
Para 5V dá 120 ohms







b) Amplificador de áudio
Na figura 7 temos as duas configurações possíveis em emissor comum para amplificar sinais de áudio. Os resistores dependem tanto da amplificação desejada como da intensidade do sinal de entrada.
Os valores mostrados dão uma amplificação t¡pica de 10 vezes para sinais fracos obtidos de um microfone, por exemplo.




c) Excitador de relés
Para excitar um relé de 6 ou 12V (solenóide ou motor), temos os circuitos mostrados na figura ao lado.
Seu princípio de funcionamento é o mesmo do caso dos LEDs.




d) Oscilador
Na figura ao lado temos diversos osciladores, de altas e baixas freqüências, usando BCs como base. As freqüências podem ficar entre alguns hertz até algumas dezenas de megahertz.




CONCLUSÃO
Os BCs podem ser empregados numa infinidade de aplicações práticas. Na nomenclatura européia dos transistores, a letra C indica que eles são transistores de uso geral e o B indica que eles são de silício.
Cabe ao leitor fazer experiências ou montar projetos conhecidos que os utilizem. O importante é não ultrapassar seus limites.


José António Flor de Sousa