Os transistores são componentes muito importantes na história da eletrônica justamente pelo fato de tornarem possível a amplificação dos sinais. É bem verdade, que antes deles as válvulas desempenhavam esse papel. Mais especificamente as válvulas triodo, tetrodo e pentodo e outros modelos com mais elementos. Já que a válvula diodo não amplifica os sinais, mas tão somente funcionava da mesma forma que o diodo de estado sólido que temos hoje em dia.
No início da década de 30, o tetrodo de quatro elementos e o pentodo de cinco elementos ganharam destaque na indústria de válvulas eletrônicas. Com o passar dos anos, esse setor tornou-se um dos mais importantes, obtendo rápidos avanços em termos de projeto, técnicas de fabricação, aplicações de alta potência e alta frequência e miniaturização (Boylestad; Nashelsky, 2013, p. 115)
Porém, com o transistor foi possível realizar a amplificação de sinais através de um componente de estado sólido.
Os transistores bipolares tidos como de pequena potência, normalmente têm o seu encapsulamento (ou invólucro) de plástico. São componentes usados com sinais de pouca intensidade e que por isso não aquecem em funcionamento. Como exemplo, temos: BC 549 e BC 238.
Uma categoria acima desta mencionada é composta pelos transistores bipolares de média potência. Esses componentes algumas vezes possuem o corpo totalmente ou parcialmente metálico. São invólucros apropriados para a instalação de dissipadores calor. Como exemplo, temos: TIP 32 e TIP 41.
Existe ainda um outro nível, onde encontram-se os chamados transistores bipolares de alta potência. São componentes criados para trabalharem com níveis maiores de tensão e corrente, resultando desta forma em mais potência. É normal seu invólucro ser totalmente metálico, pois esquentam muito em funcionamento e é imprescindível o uso de um bom dissipador de calor na maior parte das aplicações. Como exemplo, pode-se citar o 2N3055. Esse componente aparentemente possui tão somente 2 terminais, porém o terceiro elemento está ligado à sua carcaça. Esse terminal é o coletor, que normalmente é o elemento que mais esquenta. Dessa forma, existe uma melhor transferência de calor para o ambiente. Respaldando essas informações, Boylestad e Nashelsky (2013), citam: “Os transistores de construção mais robusta são dispositivos de alta potência, enquanto os que possuem um pequeno encapsulamento metálico (na forma de chapéu) ou estrutura de plástico são dispositivos de baixa ou média potência.” (p. 136).
Variedades de transistores bipolares
Ganho dos Transistores
Uma das medidas de ganho é chamada de beta cc que é definido pela razão entre a corrente corrente contínua (CC) do coletor e a corrente corrente contínua de base. Tem que: “o beta cc é conhecido também como o ganho de corrente porque uma baixa corrente da base controla uma corrente muito maior do coletor.” (MALVINO; BATES, 2007, p. 194).
Os transistores bipolares trabalham com a amplificação de correntes e dessa forma existe uma outra nomenclatura chamada de parâmetros h, ou como é muito conhecido hFE em vez de beta cc. Não podendo esquecer “[…] dessa relação porque as folhas de dados usam o símbolo hFE para o ganho de corrente.” (MALVINO; BATES, 2007, p. 211).
Veja que esses parâmetros são iguais, onde: βcc = hFE
O ganho de corrente é a principal vantagem de um transistor e tem encontrado todos os tipos de aplicação. Para os transistores de baixa potência (abaixo de 1W), o ganho de corrente é tipicamente de 100 a 300. Os transistores de alta potência (de mais de 1W) têm geralmente ganhos de 20 a 100. (MALVINO; BATES, 2007, p. 194)
Testes dos Transistores
Para realizar o teste de transistores existem três maneiras diferentes: por meio do traçador de curvas, usando medidores digitais e com o uso do multímetro.
Com o uso multímetro, é muito simples realizar o teste dos transistores. Porém, com o uso desse instrumento os resultados são mais limitados. Basicamente esse teste consiste em interpretar o transistor bipolar como dois diodos. O aparelho deve estar em uma escala intermediária de medida de resistência, como x100, por exemplo.
Para facilitar a análise do resultado desse teste, o uso de um multímetro analógico é mais indicado. Pois há necessidade de identificar na leitura se a resistência entre os terminais é alta ou baixa, e assim com um multímetro analógico basta olhar a região que se encontra a agulha do instrumento.
Realizar o teste do transistor com o multímetro
A mesma lógica pode ser aplicada a um transistor do tipo NPN. Dessa forma, realiza-se o teste do transistor como se estivesse testando diodos individualmente. Caso as pontas de prova entre os terminais base e coletor, assim como base e emissor sejam invertidas, o resultado esperado é o contrário ao mostrado na imagem acima. Assim, a inversão das pontas de prova entre os terminais coletor e emissor sempre gera uma alta resistência nos transistores bipolares.
Configuração de Amplificadores de Acordo com a Classe
Os circuitos amplificadores são divididos em categorias que são chamadas de classes. Dessa forma, são representados por uma série de letras: A, B, AB, C (usada só em radiofrequência), D, G e H. As classes definem padrões e características sobre as quais os circuitos funcionam. Abaixo estão listadas as principais características das três primeiras classes, que são as mais usuais em áudio, são elas A, B e AB.
Classe A
Os amplificadores que operam nessa classe trabalham com todo o ciclo do sinal para então ser amplificado. Dessa forma, existe uma limitação grande no quesito potência que pode ser conseguida com essa configuração. Na prática o rendimento de circuitos nessa classe situa-se em torno de 20%. Por estarem sempre em condução, os transistores podem aquecer bastante. Em compensação, nessa classe temos os melhores resultados sonoros, sem apresentarem distorção por crossover. Então “essa classe de operação caracteriza-se pela baixa distorção e baixo rendimento. Os transistores da etapa de potência ficam constantemente em condução.” (Bortoni, 2000, p. 64).
Região de trabalho de um amplificador operando em classe A.
Classe B
Os circuitos amplificadores que atuam com o uso dessa classe conseguem uma maior potência de saída, porém sob a pena de uma maior distorção. Nessa classe o sinal a ser amplificador é dividido entre dois transistores. Então cada um deles amplifica um semiciclo da onda. Ao final, ambos os transistores entregam seus semiciclos ao alto-falante. Como os semiciclos são separados para a amplificação, enquanto um transistor está conduzindo o outro está inoperante. Dessa forma, o aquecimento final é menor e o circuito apresenta maior rendimento se comparado com um circuito classe A. Porém, devido à forma como os transistores são polarizados, eles não interpretam corretamente os sinais situados entre o 0V e 0,7 Volts, pois nessa região os transistores são inoperantes.
Assim, temos que “cada braço da etapa de saída opera apenas por um semiciclo do sinal, o que nos faz concluir que durante o outro semiciclo o braço oposto estará fora de operação.” (BORTONI, 2000, p. 66).
Representação do bloco de operação push-pull.
Classe AB
Os amplificadores que operam na classe AB procuram tirar o melhor dos benefícios de ambas as classes. Ou seja, buscam a qualidade sonora da classe A, porém com o maior rendimento proporcionado pela classe B (Bortoni, 2000).
No circuito classe A toda a onda é amplificada pelo transistor, dessa forma são amplificados os seus 360o. Na classe B, como já descrito, cada transistor realiza a amplificação de metade da onda ou um semiciclo, levando a 180o. No circuito de classe AB os transistores são polarizados um pouco acima da região de corte onde o transistor é inoperante. Dessa forma, é amplificado uma onda menor do que 360o, porém maior que 180o.
E assim “na prática, os amplificadores Classe AB são levados a operar com características próximas ao da Classe B, com ajuste de polarização (Bias) feito no intuito de minimizar a distorção por crossover.” (Bortoni, 2000, p. 70).
Resistores de Polarização
Para que os circuitos amplificadores possam funcionar de maneira adequada há necessidade de uma correta definição de tensões e correntes nos vários pontos do circuito. Não existe mágica na amplificação dos sinais alternados – CA, levando-os a um aumento na sua amplitude.
É comum imaginarmos que o transistor é um dispositivo mágico capaz de aumentar o valor da entrada CA aplicada sem o auxílio de uma fonte de energia externa. Na verdade, qualquer aumento em tensão, corrente ou potência CA é resultado de uma transferência de energia das fontes CC aplicadas. (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 144)
Dessa forma, é possível compreender que existe uma análise de CA e CC na definição dos diferentes valores dos resistores que irão levar ao ponto que deseja-se polarizar o transistor (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).
O ponto em que irá se definir como o ideal para funcionamento do circuito é chamado de ponto quiescente, também representado pela letra Q maiúscula. Onde “[…] por definição, quiescente significa em repouso, imóvel, inativo.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 145).
Capacitores de Acoplamento
Os capacitores são componentes eletrônicos que possuem a capacidade de reter cargas. No passado eram chamados de condensadores, nome esse que não é utilizado nos dias atuais na língua portuguesa.
Portanto, o “capacitor é um elemento passivo projetado para armazenar energia em seu campo elétrico.” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 190).
A essência da construção de um capacitor são duas armaduras metálicas responsáveis por armazenar as cargas elétricas. Pois “um capacitor é formado por duas placas condutoras separadas por um isolante (ou dielétrico).” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 190).
Um capacitor consegue armazenar mais cargas quanto maiores forem essas armaduras, e também o quanto mais próximo elas estiverem uma da outra, ainda sem se tocarem. Além disso, varia também de acordo com o material isolante existente entre as armaduras.
“… três fatores determinam o valor da capacitância:
1. A área das placas – quanto maior a área, maior a capacitância.
2. O espaçamento entre as placas – quanto menor o espaçamento, maior a
capacitância.
3. A permissividade do material – quanto maior a permissividade, maior a
capacitância.” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 191).
Existem diferentes tipos de capacitores e os nomes tem sua origem na sua constituição. Por exemplo, temos capacitores de poliéster que possuem como elemento separador das armaduras um tipo de poliéster. Esse elemento entre as armaduras se chama dielétrico. Além disso, a maior parte dos capacitores não possui polaridade. A exceção fica por conta dos capacitores eletrolíticos que possuem polaridade e não deve ser esquecida sob a penalidade de perda do componente caso aconteça. A unidade de medida dos capacitores é o Farad em homenagem a Michael Faraday e representada pela letra F (CARVALHO; SILVA, 2015).
Porém 1 Farad é um valor muito elevado e a maior parte das vezes é preciso representar valores bem menores. Assim, utilizamos os seus submúltiplos, onde temos:
µF – Microfarad / nF – Nanofarad / pF – Picofarad
Em respeito à capacitância, temos que “[…] é a razão entre a carga depositada em uma placa de um capacitor e a diferença de potencial entre as duas placas, medidas em farads (F).” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 190).
O capacitor é um componente amplamente utilizado nos circuitos de áudio. E falar em áudio nós devemos pensar em corrente alternada. Pois esse sinal possui uma forma de onda que se inverte de acordo com a informação musical. E os capacitores, segundo uma propriedade chamada de reatância capacitiva, permitem a circulação de corrente alternada. Considerando o valor da capacitância fixa como exemplo, essa circulação será mais intensa quanto maior for a frequência da corrente alternada que circula pelo componente.
A tensão de saída do coletor de um estágio é alimentada diretamente na base do estágio seguinte por meio de um capacitor de acoplamento CC. O capacitor é escolhido de modo a garantir que bloqueie sinais CC entre os estágios e atue como um curto-circuito para qualquer sinal de CA (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 175)
Cálculo do Valor dos Capacitores de Acoplamento
O valor dos capacitores de acoplamento em circuitos amplificadores está diretamente associado com valores que não interfiram nas frequências de saída do amplificador. Ou seja, deve ser um valor que permita a passagem da componente alternada (CA – áudio), dentro da frequência que o amplificador se propõe a funcionar. Considerando um capacitor de acoplamento para uma saída de um circuito que se propõe a amplificar uma guitarra, por exemplo, podemos presumir que a frequência a ser atingida deve ser algo entre 1KHz a 5KHz (1000 Hz a 5000 Hz).
Os autores Boylestad e Nashelsky (2013) demonstram como podemos analisar a reatância capacitiva em um circuito de áudio. Assim, “para demonstrar que os capacitores são realmente equivalentes a um curto-circuito na faixa de áudio, devemos substituir uma frequência bem baixa de 100 Hz na equação de reatância de um capacitor de 56 μF.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 291)
Cálculo da reatância capacitiva do capacitor de acoplamento.
Desta forma, se for um amplificador a ser utilizado por uma guitarra elétrica podemos adotar o valor de frequência de 100 Hz (feito acima), valor bem menor do que a frequência mais baixa da guitarra. Segundo a fórmula da reatância capacitiva foi calculado o valor de 28,42 Ω. Portanto, “um valor de 28,42 Ω comparado ao de quaisquer impedâncias nessa área é certamente pequeno o suficiente para ser ignorado. Frequências maiores terão efeito ainda menor.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 175).
Capacitores de Desacoplamento
O capacitor pode se comportar como um circuito aberto ou uma resistência bem baixa. Tudo depende de como o mesmo está ligado, tipo de corrente (CA ou CC) e seu valor. Capacitores de desacoplamento são usados em diferentes aplicações. Como em um circuito amplificador que seja alimentado com pilhas. Nele existe um capacitor em paralelo com a fonte de alimentação. Nesse cenário, em algum momento a pilha ficará fraca e nessa hora é importante o uso desse capacitor que virá a eliminar possíveis oscilações da fonte no circuito evitando roncos na saída de áudio. Esse efeito é chamado de motorboarding.
Ainda dentro de fontes de alimentação é comum o uso de capacitores de elevadas capacitâncias. A intenção é eliminar resquícios da corrente alternada da rede elétrica residencial. Nesses casos, é comum o uso de capacitores eletrolíticos de elevadas capacitâncias. Devido à forma como são constituídos esses componentes, eles geram algum tipo de indutância (bem leve) e por essa razão é comum também haver um capacitor de desacoplamento do tipo cerâmico ou poliéster em paralelo de forma a curto-circuitar esse espúrio gerado, já que os mesmos deixam passar os sinais de alta frequência.
Em circuitos de áudio é comum também encontrar esse capacitor ligado, por exemplo, em paralelo com resistores de polarização do transistor. O resistor de polarização do emissor, por exemplo, fixa o ponto de funcionamento correto. O capacitor em paralelo com ele gera o efeito de ser possível abaixar a impedância da entrada e com isso se obtém maior ganho.
Manual de identificação dos terminais
Existe uma variedade transistores muito grande no mercado. Dessa forma, é comum o uso de um manual para identificar os diferentes transistores. Muitos anos atrás existiam manuais de transistores onde era possível encontrar essas informações.
Manual de transistores
Em tempos de internet, a situação se tornou bem mais fácil. Hoje basta digitar o código do componente ou buscar pelo datasheet e imediatamente conseguimos obter uma série de detalhes sobre o mesmo.
Buscando informações sobre os componentes na internet.
Dissipação de calor
Como não existe um condutor perfeito, sempre há alguma oposição à passagem da corrente elétrica. Além do mais, estamos tratando de transistores que são formados por partículas semicondutoras. Os semicondutores geram uma média oposição a passagem da corrente elétrica. Assim sendo, é comum esses componentes esquentarem quando em uso, principalmente se trabalharem próximos aos seus limites de funcionamento.
Portanto, “a máxima potência suportada por um dispositivo específico e a temperatura das suas junções estão relacionadas, uma vez que a potência dissipada pelo dispositivo provoca um aumento de temperatura em sua junção.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589).
Em se tratando de amplificadores de áudio, quanto maior a potência que está sendo trabalhada há a tendência de que também aumente a temperatura de trabalho do transistor (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589).
Para lidar com o calor, os transistores possuem alguns mecanismos usados durante sua construção. Normalmente o cristal que mais sofre com o aquecimento é o coletor. Por isso nos transistores onde o invólucro seja de metal, o coletor está ligado eletricamente ao mesmo. Isso visa ajudar a dissipação de calor do coletor.
Além do mais, os “transistores de potência são montados em grandes encapsulamentos de metal para permitirem uma grande área pela qual o calor gerado pelo dispositivo possa irradiar (ser transferido)” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589).
Os transistores são normalmente resfriados através do contato com o ar. Então dessa forma é importante que eles possuam um invólucro maior para existir um contato mais íntimo com o ar. Porém, criar um componente maior tão somente para essa função seria exagero, pois o mesmo ficaria mais caro e teria maiores dimensões o que atrapalharia seu uso em outras aplicações onde ele não aqueça da mesma forma. Então a solução adotada foi instalar o que é conhecido como dissipador de calor ou radiador de calor nesses componentes (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).
Esses transistores possuem em seu invólucro um furo por onde instala-se um parafuso com porca para prender adequadamente o dissipador de calor. Os radiadores de calor são feitos de alumínio, já que esse material tem a capacidade de dissipar melhor o calor.
Quando o dissipador de calor é utilizado, o transistor que dissipa potência tem uma área maior para irradiar (transferir) o calor para o ar, o que mantém a temperatura do encapsulamento em um valor muito menor do que resultaria sem o uso de dissipador (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589)
É comum o uso de uma pasta térmica entre o componente e o dissipador. Essa pasta possui a cor branca e é constituída de silício. Já foi dito que é comum a parte metálica do invólucro do transistor estar eletricamente ligada ao coletor. Dessa forma, também é aconselhável utilizar o que é conhecido como isolante de mica entre o componente e o dissipador. Esse isolante deixa passar o calor, mas não conduz eletricidade.
Referências bibliográficas
BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11a Edição: São Paulo: Pearson, 2013.
BORTONI, Rosalfonso. Amplificadores de Áudio. 1a Edição: Rio de Janeiro: H Sheldon, 2002.
CARVALHO, Antônio Carlos Lemos; SILVA, Davinson Mariano. Laboratório de eletrônica analógica e digital. 1a Edição: São Paulo: Senai SP, 2015.
MALVINO, Albert e BATES, David. Eletrônica. 7a Edição: Porto Alegre: Mc Graw Hill, 2007.
SADIKU, Matthew e ALEXANDER, Charles. Fundamentos de circuitos elétricos. 5a Edição: Porto Alegre: Mc Graw Hill, 2013.