Transistor BJT: Introdução

   Olá a todos. Hoje vamos falar do mais importante componente da eletrônica moderna: O Transistor. Então, sem mais delongas, vamos falar dele!

   Porém (xiiii, mas tu não disse "sem mais delongas"???), antes de falar do Transistor, vamos falar da era AT ("Antes do Transistor"). Para fazer uma comparação, e tendo em mente que o transistor foi inventado no final de 1947, vamos pensar: o que existia antes disso? Havia telefones, rádios e televisão, mas todos esses aparelhos eram primitivos, nada elegantes e ainda menos práticos. E o que ocorreu depois de 1947, na era PT ("Pós Transistor")? Bem, na década de 50 surgiu a televisão em cores nos Estados Unidos, em 1969 o homem foi para a Lua, em 1976 surgiu a Apple com sua ideia de computador pessoal. Tudo isso (e muito mais!) foi possibilitado ou facilitado pela invenção do transistor que substituiu as válvulas, permitiu a construção de CI's, da eletrônica digital e assim por diante. Abaixo está a imagem do primeiro transistor inventado:

   Felizmente com o tempo ele foi bastante diminuído. Existem transistores dentro de circuitos como processadores que não possuem mais que alguns átomos na sua constituição. Mas qual a ideia deste componente tão importante? Na verdade, a ideia é bem simples. No transistor BJT (Transistor de Junção Bipolar, a sigla do inglês para Bipolar Junction Transistor) a ideia é controlar uma corrente grande através de uma corrente pequena. Ele possui três terminais, chamados de coletor, base e emissor e sua construção interna assim como sua representação no esquema elétrico são mostradas na figura abaixo:

   Veja que ele é um sanduíche de cristais. Se tivermos um cristal N entre dois cristais P, chamamos o transistor de PNP. Se tivermos um cristal P entre cristais N, chamamos o transistor de NPN. É curioso saber que a região do emissor é maior que a região do coletor. Para analisar seu funcionamento, vamos tomar, por exemplo, um transistor NPN:

   Vamos remover mentalmente a fonte Vbe e ver o que acontece: Sem Vbe, podemos analisar o transistor como dois diodos ligados em antisérie, sendo que o "diodo" superior (a parte NP) está reversamente polarizado. Dessa forma o componente não conduz corrente alguma.

   Porém quando eu coloco uma tensão positiva na Base (através da fonte Vbe) e forço um fluxo de corrente entre a Base e o Emissor, eu estreito aquela junção P, pois eu mando elétrons para preencherem as lacunas que lá estão. Como aquela junção está menor, os elétrons que vem pelo Coletor conseguem saltar essa barreira, indo parar no Emissor, cujo potencial é o terra. Dessa forma a corrente do emissor é igual a soma da corrente aplicada na base com a corrente circulando no coletor. Porém como a corrente na Base é geralmente muito pequena se comparada a corrente do coletor, muitas vezes a desconsideramos.

   De forma simplificada, o transistor BJT é um dispositivo que amplifica a corrente. Agora que este dispositivo está um pouco mais explicado, vamos tentar um exemplo prático. Tente acompanhar os cálculos e as ideias por trás da análise do circuito a seguir:

   Este é uma das aplicações mais clássicas do transistor BJT: um Amplificador. Embora esta configuração não seja muito usada, ela irá servir de exemplo para entendermos melhor o funcionamento do BJT. Vamos fazer uma análise CC. Isso quer dizer que vamos ignorar a entrada de sinal e o capacitor C, ignorando sua existência para nossos propósitos.

   Vamos supor um transistor com ganho 300. Isso significa que a corrente entre o coletor e o emissor será 300 vezes maior que a corrente que entrar na base. Então vou mostrar como fazer a análise do circuito, dando valores como Vcc = 12V, \(R_1\) = 10K, \(R_2\) = 15R, \(R_3\) = 150R e um \(h_{fe}\) (ganho do transistor) = 300.

   Vamos considerar que em \(R_1\) passe uma corrente, cujo valor não sabemos, e que chamaremos de I1. Essa corrente, ao passar pela base do transistor, fará aparecer uma corrente 301 vezes maior no emissor. Pois temos 300\(I_1\) (corrente amplificada do transistor) mais \(I_1\) (corrente que entrou originalmente pela base saindo pelo emissor). Isso totaliza nossos 301\(I_1\), que é a corrente que passará por \(R_3\). Considerando que entre a base e o emissor temos uma configuração análoga a um diodo diretamente polarizado, também podemos considerar uma queda de tensão de 0,7V, tomando, por exemplo, um transistor de silício.

   Aplicando a análise de malha de Kirchoff, saímos com 12 V da nossa fonte. Temos, em \(R_1\), uma queda de tensão de \(I_1 R_1\). Depois perdemos mais 0,7 V para a polarização da base do transistor e, por fim, temos uma queda de tensão de 300\(I_1 R_3\). Substituindo \(R_1\) e \(R_3\) por seus respectivos valores e equacionando toda essa confusão, obtemos:

$$ \Large 12V - 10000I_1 - 0.7V -301 \times 150 I_1 = 0 $$

$$ \Large 10000 I_1 + 45150 I_1 = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 (10000 + 45150) = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 \times 55150 = 11.3 V $$

$$ \Large I_1 = 204 \mu A $$

   Quem é \(I_1\)? Definimos \(I_1\) como sendo a corrente que passa por \(R_1\), que é a mesma corrente que entrará na base no transistor. Sabendo essa corrente, podemos inferir as demais do circuito como, por exemplo, a corrente que passa por \(R_2\) é trezentas vezes maior que a corrente que entra na base. Sabendo que a corrente da base vale 204 uA podemos descobrir facilmente que a corrente que atravessa \(R_2\) é de 61,4 mA. Sabendo que a corrente no emissor é a soma da corrente do coletor com a corrente da base (ou, nesse caso, poderíamos entender como sendo 301 vezes maior que a corrente da base), podemos ver que a corrente em \(R_3\) é de 61,6 mA. Com os valores das correntes e dos resistores podemos calcular as tensões no circuito como sendo:

$$ \Large V_{R_1} = I_1 R_1 = 204 \mu A \times 10000 \Omega = 2.04 V $$

$$ \Large V_{R_2} = 300 I_1 R_2 = 61.4 mA \times 15 \Omega = 0.921 V $$

$$ \Large V_{R_3} = 301 I_1 R_3 = 61.6 mA \times 150 \Omega = 9.24 V $$

   Por fim, vamos fazer a análise das malhar para verificar nossa resposta:

   Saindo da fonte eu tenho uma queda de 2,04 V em \(R_1\), mais uma queda de 0,7 V na base do transistor e outra queda de 9,24 V no \(R_3\). A soma dessas quedas de tensão devem totalizar a tensão original da fonte, que é 12 V. Realmente, somando todas as quedas obtemos um valor de 11,98 V, que só não é exato devido a questões de arredondamento.

   Fazendo a outra malha, saindo da fonte, temos uma queda de 0,921V em \(R_2\) e 9,24 V em \(R_3\). Somando isso obtemos 10,161 V! Mas cadê os outros 1,839 V que faltam para completar os 12 V? Será que nossa análise está errada? Não, na verdade essa tensão está entre os terminais coletor e emissor do transistor.  O que acontece é que com a corrente que estamos injetando na base o transistor só deixa passar determinada quantidade de corrente. Essa corrente produz uma queda de tensão nos resistores e a queda de tensão que falta para completarmos a tensão da fonte é retida pelo transistor. Vemos que, apesar do transistor estar no coração da eletrônica moderna, ele pode ser analisado usando regras simples, como as Leis de Kirchoff e a tradicional e conhecida Lei de Ohm.

   Mas se lembram que eu disse que essa configuração não é usada na prática? Vocês estão curiosos para saber o porquê? Nessa configuração a corrente que entra na base é sempre a mesma, pois depende exclusivamente dos resistores de polarização \(R_1\) e \(R_3\). Porém a fabricação de transistores não é precisa. O que eu quero dizer com isso? Que se você tem um transistor BC-337 queimado e você trocar por outro BC-337 este circuito pode não funcionar. Isso se dá pelo fato de que o BC-337 tem um ganho entre 100 e 630. Ou seja, dois transistores iguais podem ter ganhos muito diferentes. Como nessa configuração o ganho do transistor influencia na polarização do circuito (nas tensões e correntes), e devido ao fato de ser difícil encontrar dois transistores com mesmo ganho, esse arranjo não é muito utilizado. Porém há configurações que veremos mais adiante que não tem esse problema, como a polarização por divisor de tensão.

   Claro que esperar falar de toda a teoria do transistor em um post é uma proposta utópica. Capítulos inteiros são dedicados ao BJT e as suas aplicações como amplificador, sem falar nos outros tipos de transistores, como o JFET, MOSFET, IGBT, etc. Há também outros conceitos que serão abordados mais adiante, como saturação do transistor, avalanche térmica, e também outros circuitos abordando os transistores. Mas acredito que esse post tenha servido para dar uma visão geral do que é um transistor e por que ele foi criado. E por hoje era isso. Até a próxima postagem e se cuidem.