Transistores de Junção Bipolar (TJB) e a banca ANAC de Aviônicos

Transistor de junção bipolar (TJB), também conhecido como transistor bipolar. Este componente, cuja etimologia remete a “resistor de transferência”, é a base para inúmeros circuitos e sistemas que utilizamos diariamente.

Estrutura de um Transistor: Terminais e Funções

Para dominar o uso dos transistores, é crucial reconhecer seus três terminais: a Base, o Emissor e o Coletor. Cada um possui uma função específica que governa o comportamento do componente:

Emissor (E): Como o nome sugere, este terminal é responsável por emitir os portadores de carga (elétrons ou lacunas).
Coletor (C): Em oposição ao emissor, sua função é coletar esses portadores de carga.
Base (B): Atua como o elemento de controle. A corrente que flui pela base modula o fluxo de portadores entre o emissor e o coletor, controlando assim o estado do transistor.

Em resumo, o emissor emite, o coletor coleta, e a base controla todo o processo. A simbologia padrão nos ajuda a identificar esses terminais, onde o emissor é sempre indicado por uma seta.

Os Tipos de Transistor: NPN e PNP

Existem dois tipos construtivos de transistores de junção: NPN e PNP. A nomenclatura refere-se à sequência de materiais semicondutores (Negativo-Positivo-Negativo ou Positivo-Negativo-Positivo). Uma regra importante é que o emissor e o coletor são sempre feitos do mesmo tipo de material, enquanto a base é feita do material oposto.

Tipo de Transistor	Estrutura	Material da Base
NPN	Negativo-Positivo-Negativo	Tipo P (Positivo)
PNP	Positivo-Negativo-Positivo	Tipo N (Negativo)

A seta no símbolo do emissor não apenas o identifica, mas também indica o sentido convencional da corrente. Uma maneira mnemônica para diferenciar os tipos pela simbologia é observar a seta em relação à base:

NPN: A seta “Não Penetra” na base (aponta para fora).
PNP: A seta “Penetra” na base (aponta para dentro).

Leis Fundamentais: Correntes e Tensões

Independentemente de ser NPN ou PNP, as leis que regem as correntes e tensões em um transistor são consistentes. Aplicando a Lei de Kirchhoff para Correntes, podemos estabelecer a relação fundamental entre as correntes dos terminais:

Ie = Ib + Ic

Onde:

Ie é a corrente de emissor
Ib é a corrente de base
Ic é a corrente de coletor

Uma consequência direta dessa equação é que a corrente de emissor (Ie) é sempre a maior corrente em um transistor, pois ela é a soma das outras duas. Na prática, a corrente de base (Ib) é significativamente menor que a corrente de coletor (Ic), fazendo com que Ic e Ie tenham valores muito próximos.

Similarmente, a Lei de Kirchhoff para Tensões se aplica, definindo que a tensão total entre o coletor e o emissor (Vce) é a soma das tensões parciais:

Vce = Vcb + Vbe

Configurações de Circuito: Base Comum, Emissor Comum e Coletor Comum

Um transistor pode ser ligado em um circuito de três maneiras distintas, conhecidas como configurações. O termo “comum” refere-se ao terminal que é compartilhado entre o circuito de entrada e o de saída.

Emissor Comum: A configuração mais utilizada na prática. A entrada é aplicada na base e a saída é retirada do coletor. Esta configuração é popular por oferecer alto ganho de corrente, alto ganho de tensão e, consequentemente, alto ganho de potência, tornando-a extremamente versátil.
Base Comum: A base é o terminal comum. A entrada é aplicada no emissor e a saída é retirada do coletor.
Coletor Comum: O coletor é o terminal comum. A entrada é aplicada na base e a saída é retirada do emissor.

É importante não confundir o tipo de transistor (NPN/PNP) com sua configuração no circuito.

Regiões de Operação e a Reta de Carga

Para entender como um transistor se comporta em um circuito, analisamos sua curva característica de saída, um gráfico fornecido pelo fabricante que relaciona a corrente de coletor (Ic) com a tensão coletor-emissor (Vce). Sobre essa curva, traçamos a reta de carga, que nos ajuda a visualizar as três principais regiões de operação:

Corte: Nesta região, a corrente de base é praticamente nula, o que impede a passagem de corrente entre o coletor e o emissor (Ic ≈ 0). O transistor se comporta como uma chave aberta.
Saturação: A corrente de base é alta o suficiente para permitir que a corrente de coletor atinja seu valor máximo possível no circuito. A tensão Vce é próxima de zero, e o transistor se comporta como uma chave fechada.
Região Ativa: Localizada entre o corte e a saturação, é nesta região que o transistor opera como um amplificador. A corrente de coletor é proporcional à corrente de base, controlada por um fator de ganho (β ou hFE).

O ponto de operação específico na região ativa, chamado de ponto quiescente (Ponto Q), é escolhido durante o projeto do circuito para garantir o funcionamento desejado do transistor.

Glossário Técnico: Transistores de Junção Bipolar

Base (B): Um dos três terminais do transistor. Atua como o eletrodo de controle, onde uma pequena corrente aplicada (Ib) modula o fluxo de uma corrente muito maior entre o coletor e o emissor.

Coletor (C): Terminal do transistor responsável por coletar os portadores de carga (elétrons ou lacunas) que foram emitidos pelo emissor e controlados pela base.
Configuração Base Comum: Um dos três modos de ligação de um transistor, no qual o terminal da base é comum aos circuitos de entrada e de saída. A entrada é aplicada no emissor e a saída é retirada do coletor.
Configuração Coletor Comum: Modo de ligação onde o terminal do coletor é comum à entrada e à saída. A entrada é aplicada na base e a saída é retirada no emissor. É também conhecida como seguidor de emissor.
Configuração Emissor Comum: A mais utilizada das três configurações. O terminal do emissor é comum aos circuitos de entrada e saída. O sinal de entrada é aplicado na base e o de saída é retirado no coletor. Destaca-se por fornecer alto ganho de tensão, corrente e potência.
Curva Característica: Gráfico que representa o comportamento de um transistor, relacionando as correntes e tensões em seus terminais. É fornecida pelo fabricante no datasheet do componente. Existem as curvas de entrada e as de saída.

Emissor (E): Terminal do transistor que tem a função de emitir (injetar) portadores de carga no dispositivo. É sempre identificado pela seta no símbolo do transistor.

Ganho (de Corrente): Relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada de um transistor. É uma medida da sua capacidade de amplificação. O símbolo do ganho varia com a configuração:
- Alfa (α): Ganho de corrente na configuração Base Comum (Ic / Ie).
- Beta (β) ou hFE: Ganho de corrente na configuração Emissor Comum (Ic / Ib). É o parâmetro de ganho mais comum.
- Gama (γ): Ganho de corrente na configuração Coletor Comum (Ie / Ib).

NPN (Transistor): Tipo de transistor de junção bipolar formado por uma camada de semicondutor tipo P (base) entre duas camadas de semicondutor tipo N (emissor e coletor).

PNP (Transistor): Tipo de transistor de junção bipolar formado por uma camada de semicondutor tipo N (base) entre duas camadas de semicondutor tipo P (emissor e coletor).
Ponto Quiescente (Ponto Q): Ponto de operação de um transistor na região ativa, definido por um conjunto específico de valores de corrente (Ic) e tensão (Vce) quando não há sinal de entrada. Este ponto determina as condições de repouso do circuito.

Região Ativa: Região de operação do transistor onde a corrente de coletor é proporcional à corrente de base. É nesta região que o transistor funciona como um amplificador de sinais.
Região de Corte: Estado de operação onde a corrente de base é nula ou insuficiente para ativar o transistor. Como resultado, a corrente de coletor é praticamente zero, e o transistor se comporta como uma chave aberta.
Região de Saturação: Estado de operação onde a corrente de base é alta o suficiente para fazer com que a corrente de coletor atinja seu valor máximo, limitado pelo circuito externo. A tensão entre coletor e emissor (Vce) é mínima (próxima de zero), e o transistor se comporta como uma chave fechada.
Reta de Carga: Linha traçada sobre a curva característica de saída de um transistor que representa todas as possíveis combinações de corrente de coletor (Ic) e tensão coletor-emissor (Vce) para um determinado circuito. Ela conecta o ponto de corte ao ponto de saturação.

FAQ: Principais Dúvidas sobre Transistores de Junção Bipolar

1. Quais são as funções dos três terminais de um transistor (Base, Emissor e Coletor)?

Cada terminal tem um papel fundamental no funcionamento do transistor. De forma simplificada:

Emissor (E): É o terminal que emite os portadores de carga (elétrons, por exemplo) para o restante do componente. No símbolo do transistor, é sempre o terminal com a seta.
Coletor (C): É o terminal que coleta os portadores de carga que foram emitidos pelo emissor.
Base (B): É o terminal de controle. Uma pequena corrente aplicada na base é capaz de controlar um fluxo de corrente muito maior entre o coletor e o emissor. Em resumo: o emissor emite, o coletor coleta e a base controla.

2. Qual a diferença entre um transistor NPN e um PNP? Como identificá-los?

A principal diferença está na sua construção e no sentido do fluxo da corrente. A nomenclatura (NPN ou PNP) refere-se à ordem das camadas de material semicondutor (Negativo-Positivo-Negativo ou Positivo-Negativo-Positivo).

NPN: A base é feita de material tipo P, enquanto o coletor e o emissor são de material tipo N.
PNP: A base é feita de material tipo N, enquanto o coletor e o emissor são de material tipo P.

Uma dica prática para identificar o tipo pelo símbolo é olhar a seta no emissor:

NPN: A seta Não Penetra na base (aponta para fora).
PNP: A seta Penetra na base (aponta para dentro).

3. Qual é a maior corrente em um transistor e por quê?

A corrente de emissor (Ie) é sempre a maior corrente em um transistor. A razão para isso vem da Lei de Kirchhoff para Correntes, que estabelece que a soma das correntes que entram em um nó é igual à soma das correntes que saem. No transistor, a corrente de emissor é a soma da corrente de base (Ib) e da corrente de coletor (Ic).

Ie = Ib + Ic

Como a corrente de emissor é o resultado da soma das outras duas, ela será, por definição, sempre a maior das três.

4. Quais são as três regiões de operação de um transistor e para que servem?

As três regiões de operação definem como o transistor se comporta em um circuito:

Região de Corte: O transistor está “desligado”. Não há corrente de base suficiente para ativá-lo, então a corrente entre o coletor e o emissor é praticamente zero. Ele funciona como uma chave aberta.
Região de Saturação: O transistor está “totalmente ligado”. A corrente de base é alta, permitindo que a corrente de coletor atinja seu valor máximo. Ele funciona como uma chave fechada.
Região Ativa: É a região intermediária entre o corte e a saturação. Aqui, a corrente de coletor é proporcional à corrente de base. É nesta região que o transistor opera como um amplificador de sinais.

5. Por que a configuração Emissor Comum é a mais utilizada na prática?

A configuração Emissor Comum (onde o emissor é o terminal comum entre a entrada e a saída) é a mais empregada em 99% dos casos práticos porque é a única que oferece ganhos elevados em todas as frentes: ela proporciona um alto ganho de corrente, um alto ganho de tensão e, consequentemente, um alto ganho de potência. Essa versatilidade a torna a escolha ideal para a maioria das aplicações de amplificação.

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