Capacitores

Capacitor ou condensador é um componente que armazena energia num campo elétrico, acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.
Historicamente, a ideia de seu uso baseia-se na Garrafa de Leiden inventada acidentalmente em 1746 por Pieter van Musschenbroek na cidade de Leyden na Holanda.

Exemplos de capacitores



Física do capacitor

Visão geral

Os formatos típicos consistem em dois eletrodos ou placas que armazenam cargas opostas. Estas duas placas são condutoras e são separadas por um isolante ou por um dielétrico. A carga é armazenada na superfície das placas, no limite com o dielétrico. Devido ao fato de cada placa armazenar cargas iguais, porém opostas, a carga total no dispositivo é sempre zero.

Quando uma diferença de potencial V = Ed é aplicada às placas deste capacitor simples, surge um campo elétrico entre elas. Este campo elétrico é produzido pela acumulação de uma carga nas placas.

Capacitância

A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade (C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:

Pelo Sistema Internacional de Unidades (SI), um capacitor tem a capacitância de um farad (F) quando um coulomb de carga causa uma diferença de potencial de um volt (V) entre as placas. O farad é uma unidade de medida considerada muito grande para circuitos práticos, por isso, são utilizados valores de capacitâncias expressos em microfarads (μF), nanofarads (nF) ou picofarads (pF).
A equação acima é exata somente para valores de Q muito maiores que a carga do elétron (e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C). Por exemplo, se uma capacitância de 1 pF fosse carregada a uma tensão de 1 µV, a equação perderia uma carga Q = 10⁻¹⁹ C, mas isto seria impossível já que seria menor do que a carga em um único elétron. Entretanto, as experiências e as teorias recentes sugerem a existência de cargas fracionárias.
A capacitância de um capacitor de placas paralelas constituído de dois eletrodos planos idênticos de área A separados à distância constante d é aproximadamente igual a:

onde

• C é a capacitância em faraday
• ε₀ é a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre
• ε_r é a constante dielétrica ou permissividade relativa do isolante utilizado.

Energia

A energia (no SI, medida em Joules) armazenada em um capacitor é igual ao trabalho feito para carregá-lo. Considere um capacitor com capacitância C, com uma carga +q em uma placa e -q na outra. Movendo um pequeno elemento de carga dq de uma placa para a outra contra a diferença de potencial V = q/C necessita de um trabalho dW:

Nós podemos descobrir a energia armazenada em um capacitor integrando essa equação. Começando com um capacitor descarregado (q=0) e movendo carga de uma placa para a outra até que as placas tenham carga +Q e -Q, necessita de um trabalho W:

Os elétrons das moléculas mudam em direção à placa da esquerda positivamente carregada. As moléculas então criam um campo elétrico do lado esquerdo que anula parcialmente o campo criado pelas placas. (O espaço do ar é mostrado para maior clareza; em um capacitor real, o dielétrico fica em contato direto com as placas.)

Circuitos elétricos

Os elétrons não podem passar diretamente através do dielétrico de uma placa do capacitor para a outra. Quando uma tensão é aplicada a um capacitor através de um circuito externo, a corrente flui para uma das placas, carregando-a, enquanto flui da outra placa, carregando-a, inversamente. Em outras palavras, quando a Tensão que flui por um capacitor muda, o capacitor será carregado ou descarregado. A fórmula corrente é dada por

Onde I é a corrente fluindo na direção convencional, e dV/dt é a derivada da tensão, em relação ao tempo.
No caso de uma tensão contínua (DC ou também designada CC) logo um equilíbrio é encontrado, onde a carga das placas correspondem à tensão aplicada pela relação Q=CV, e nenhuma corrente mais poderá fluir pelo circuito. Logo a corrente contínua (DC) não pode passar. Entretanto, correntes alternadas (AC) podem: cada mudança de tensão ocasiona carga ou descarga do capacitor, permitindo desta forma que a corrente flua. A quantidade de "resistência" de um capacitor, sob regime AC, é conhecida como reatância capacitiva, e a mesma varia conforme varia a frequência do sinal AC. A reatância capacitiva é dada por:

Onde:

• X_C = reatância capacitiva, medida em ohms
• f = frequência do sinal AC, em Hertz - Hz
• C = capacitância medida em Farads F

O tempo de carga de um condensador é definido pela expressão: T = R x C.
É denominada reatância pois o capacitor reage a mudanças na tensão, ou diferença de potencial.
Desta forma a reatância é proporcionalmente inversa à frequência do sinal. Como sinais DC (ou CC) possuem frequência igual a zero, a fórmula confirma que capacitores bloqueiam completamente a corrente aplicada diretamente, após um determinado tempo, em que o capacitor está carregando. Para correntes alternadas (AC) com frequências muito altas a reatância, por ser muito pequena, pode ser desprezada em análises aproximadas do circuito.
A impedância de um capacitor é dada por:

cujo j é o número imaginário.
Portanto, a reatância capacitiva é o componente imaginário negativo da impedância.
Em um circuito sintonizado tal como um receptor de rádio, a frequência selecionada é uma função da indutância (L) e da capacitância (C) em série, como dado em

Essa é a frequência na qual a ressonância ocorre, em um circuito RLC em série.

Associação de capacitores

Num circuito de condensadores montados em paralelo todos estão sujeitos à mesma diferença de potencial (tensão). Para calcular a sua capacidade total (C_eq):

A corrente que flui através de capacitores em série é a mesma, porém cada capacitor terá uma queda de tensão (diferença de potencial entre seus terminais) diferente. A soma das diferenças de potencial (tensão) é igual a diferença de potencial total. Para conseguir a capacitância total:

Na associação mista de capacitores, tem-se capacitores associados em série e em paralelo. Nesse caso, o capacitor equivalente deve ser obtido, resolvendo-se o circuito em partes, conforme a sua configuração. Por isso, calcule, antes associação de capacitores em série para após efetuar o cálculo dos capacitores em paralelo.

Capacitores na prática

Capacitores comuns

Apresenta-se com tolerâncias de 5 % ou 10 %.
Capacitores são frequentemente classificados de acordo com o material usado como dielétrico. Os seguintes tipos de dielétricos são usados:

• cerâmica (valores baixos até cerca de 1 μF)
  • C0G ou NP0 - tipicamente de 4,7 pF a 0,047 uF, 5 %. Alta tolerância e performance de temperatura. Maiores e mais caros
  • X7R - tipicamente de 3300 pF a 0,33 uF, 10 %. Bom para acoplamento não-crítico, aplicações com timer.
  • Z5U - tipicamente de 0,01 uF a 2,2 uF, 20 %. Bom para aplicações em bypass ou acoplamentos. Baixo preço e tamanho pequeno.
• poliestireno (geralmente na escala de picofarads)
• poliéster (de aproximadamente 1 nF até 10 μF)
• polipropilêno (baixa perda. alta tensão, resistente a avarias)
• tântalo (compacto, dispositivo de baixa tensão, de até 100 μF aproximadamente)
• eletrolítico (de alta potência, compacto mas com muita perda, na escala de 1 μF a 1000 μF)

Propriedades importantes dos capacitores, além de sua capacitância, são a máxima tensão de trabalho e a quantidade de energia perdida no dielétrico. Para capacitores de alta potência a corrente máxima e a Resistência em Série Equivalente (ESR) são considerações posteriores. Um ESR típico para a maioria dos capacitores está entre 0,0001 ohm e 0,01 ohm, valores baixos preferidos para aplicações de correntes altas.
Já que capacitores têm ESRs tão baixos, eles têm a capacidade de entregar correntes enormes em circuitos curtos, o que pode ser perigoso. Por segurança, todos os capacitores grandes deveriam ser descarregados antes do manuseio. Isso é feito colocando-se um resistor pequeno de 1 ohm a 10 ohm nos terminais, isso é, criando um circuito entre os terminais, passando pelo resistor.
Capacitores também podem ser fabricados em aparelhos de circuitos integrados de semicondutores, usando linhas metálicas e isolantes num substrato. Tais capacitores são usados para armazenar sinais analógicos em filtros chaveados por capacitores, e para armazenar dados digitais em memória dinâmica de acesso aleatória (DRAM). Diferentemente de capacitores discretos, porém, na maior parte do processo de fabricação, tolerâncias precisas não são possíveis (15 % a 20 % é considerado bom).

Identificação do valor no capacitor cerâmico

Identificação de valor no capacitor cerâmico

Os capacitores cerâmicos apresentam impressos no próprio corpo um conjunto de três algarismos e uma letra. Para se obter o valor do capacitor os dois primeiros algarismos representam os dois primeiros dígitos do valor do capacitor, e o terceiro algarismo (algarismo multiplicador) representa o número de zeros à direita. A letra representa a tolerância do capacitor (a qual pode ser omitida), que é a faixa de valores em que a capacitância variará. Para os capacitores cerâmicos até 10pF esta é expressa em pF. Para os acima de 10pF é expressa em porcentagem. Por exemplo um capacitor com 224F impresso no próprio corpo, possuirá uma capacitância de 220000pF com uma tolerância de +/- 1% (seu valor pode ser um ponto percentual à mais ou à menos desse valor).

Tabela de tolerância no capacitor cerâmico

Identificação do valor no capacitor de poliéster

Para a identificação dos valores do capacitor de poliéster é usado um conjunto de 7 faixas coloridas (conforme tabela), embora seja um método em desuso pelos fabricantes, no qual cada faixa representará respectivamente:primeiro algarismo,segundo algarismo, algarismo multiplicador, tolerância e tensão.O valor é obtido em pF.

Tabela para identificação dos valores do capacitor de poliéster

Capacitores variáveis

Há dois tipos distintos de capacitores variáveis, cujas capacitâncias podem ser mudadas intencionalmente e repetidamente ao longo da vida do dispositivo:

• Aqueles que usam uma construção mecânica para mudar a distância entre as placas, ou a superfície da área das placas superpostas. Esses dispositivos são chamados capacitores de sintonia, ou simplesmente "capacitores variáveis", e são usados em equipamentos de telecomunicação para sintonia e controle de frequências.Neste tipo de capacitor o elemento dielétrico é o próprio ar.
• Aqueles que usam o fato de que a espessura da camada de depleção de um diodo varia com a tensão da corrente contínua atravessando o diodo. Esses diodos são chamados de diodos de capacitância variável, varactores ou varicaps. Qualquer diodo exibe esse efeito, mas dispositivos vendidos especificamente como varactores têm uma área de junção grande e um perfil de dopagem especificamente dimensionado para maximizar a capacitância.
• Em um capacitor microfone (comumente conhecido como um microfone condensador), o diafragma age como uma placa do capacitor, e as vibrações produzem alterações na distância entre o diafragma e uma placa fixa, alterando a tensão entre as placas.

Capacitor variável de sintonia de rádio

Capacitores de Camada Dupla Elétrica (EDLCs)

Esses dispositivos, frequentemente chamados de supercapacitores ou ultracapacitores para simplificar, são capacitores que usam uma camada de eletrolítico de espessura molecular, ao invés de uma folha manufaturada de material, como o dielétrico. Como a energia armazenada é inversamente proporcional à espessura do dielétrico, esses capacitores têm uma densidade de energia extremamente alta. Os eletrodos são feitos de carbono ativado, que tem uma área de superfície alta por unidade de volume, aumentando a densidade de energia do capacitor. EDLCs individuais têm capacitâncias de centenas ou até milhares de farads.
Os EDLCs podem ser usados como substitutos para baterias em aplicações em que uma grande corrente de descarga seja necessária. Eles também podem ser recarregados centenas de milhares de vezes, diferentemente das baterias convencionais que duram apenas algumas poucas centenas ou milhares de ciclos de recarga.

Aplicações

Capacitores são comumente usados em fontes de energia onde elas suavizam a saída de uma onda retificada completa ou meia onda.
Por passarem sinais de Corrente Alternada mas bloquearem Corrente Contínua, capacitores são frequentemente usados para separar circuitos Corrente alternada de corrente continua. Este método é conhecido como acoplamento AC.
Capacitores também são usados na correção de fator de potência. Tais capacitores frequentemente vêm como três capacitores conectados como uma carga trifásica. Geralmente, os valores desses capacitores não são dados pela sua capacitância, mas pela sua potência reativa em var.

História

A Jarra de Leyden foi a primeira forma de capacitor. Fora inventada na Universidade de Leyden, na Holanda por Pieter van Musschenbroek. Ela era uma jarra de vidro coberta interna e externamente, mas sem se tocarem, com metal. A cobertura interna era conectada a uma vareta que saia pelo gargalo da jarra e terminava numa bola de metal, desta forma o vidro da jarra comportava-se como o dielétrico armazenador das cargas elétricas e os metais das paredes interna e externa como as armaduras deste capacitor primitivo.

Corrente de Deslocamento

O físico James Clerk Maxwell inventou o conceito de corrente de deslocamento, dD/dt, para tornar a Lei de Ampère consistente com a conservação de carga em casos em que a carga se acumula, como por exemplo num capacitor. Ele interpretou este fenômeno como um movimento real de cargas, mesmo no vácuo, onde ele supôs que corresponderia ao movimento de cargas de um dipolo no éter. Embora essa interpretação tenha sido abandonada, a correção de Maxwell à lei de Ampere permanece válida (um campo elétrico variável produz um campo magnético).
A corrente de deslocamento deve ser incluída, por exemplo, para aplicação das Leis de Kirchhoff a um capacitor.

Resistores

Um resistor (em Portugal mais frequentemente chamado de resistência) é um dispositivo elétrico muito utilizado em eletrônica, ora com a finalidade de transformar energia elétrica em energia térmica (efeito joule),ora com a finalidade de limitar a quantidade de corrente elétrica em um circuito, a partir do material empregado, que pode ser por exemplo carbono ou silício.
Resistores são componentes que têm por finalidade oferecer uma oposição à passagem de corrente elétrica, através de seu material. A essa oposição damos o nome de resistência elétrica, que possui como unidade ohm. Causam uma queda de tensão em alguma parte de um circuito elétrico, porém jamais causam quedas de corrente elétrica. Isso significa que a corrente elétrica que entra em um terminal do resistor será exatamente a mesma que sai pelo outro terminal, porém há uma queda de tensão. Utilizando-se disso, é possível usar os resistores para controlar a corrente elétrica sobre os componentes desejados.
Um resistor ideal é um componente com uma resistência elétrica que permanece constante independentemente da tensão ou corrente elétrica que circular pelo dispositivo.
Os resistores podem ser fixos ou variáveis. Neste caso são chamados de potenciômetros ou reostatos. O valor nominal é alterado ao girar um eixo ou deslizar uma alavanca.
O valor de um resistor de carbono pode ser facilmente identificado de acordo com as cores que apresenta na cápsula que envolve o material resistivo, ou então usando um ohmímetro.
Alguns resistores são longos e finos, com o material resistivo colocado ao centro, e um terminal de metal ligado em cada extremidade. Este tipo de encapsulamento é chamado de encapsulamento axial. A fotografia a direita mostra os resistores em uma tira geralmente usados para a pré-formatação dos terminais. Resistores usados em computadores e outros dispositivos são tipicamente muito menores, freqüentemente são utilizadas tecnologia de montagem superficial (Surface-mount technology), ou SMT, esse tipo de resistor não tem "perna" de metal (terminal). Resistores de maiores potências são produzidos mais robustos para dissipar calor de maneira mais eficiente, mas eles seguem basicamente a mesma estrutura.

Resistência e resistividade
Os resistores são utilizados como parte de um circuito eléctrico e incorporados dentro de dispositivos microelectrónicos ou semicondutores. A medição crítica de um resistor é a resistência, que serve como relação de Tensão para corrente é medida em ohms, uma unidade SI. Um componente tem uma resistência de 1 ohm se uma tensão de 1 volt no componente fizer com que percorra, pelo mesmo, uma corrente com a intensidade de 1 ampère, o que é equivalente à circulação de 1 coulomb de carga elétrica, aproximadamente 6.241506 x 10¹⁸ elétrons por segundo. Qualquer objeto físico, de qualquer material é um tipo de resistor. A maioria dos metais são materiais condutores, e opõe baixa resistência ao fluxo de corrente elétrica. O corpo humano, um pedaço de plástico, ou mesmo o vácuo têm uma resistência que pode ser mensurada. Materiais que possuem resistência muito alta são chamados isolantes ou dielétricos. A relação entre tensão, corrente e resistência, através de um objeto é dada por uma simples equação, Lei de Ohm:

Onde V (ou U ) é a diferença de potencial em volts, I é a corrente que circula através de um objeto em ampères, e R é a resistência em ohms. Se V e I tiverem uma relação linear—isto é, R é constante—ao longo de uma gama de valores, o material do objeto é chamado de ôhmico. Um resistor ideal tem uma resistência fixa ao longo de todas as frequências e amplitudes de tensão e corrente. Materiais supercondutores em temperaturas muito baixas têm resistência zero. Isolantes (tais como ar, diamante, ou outros materiais não-condutores) podem ter resistência extremamente alta (mas não infinita), mas falham e admitem que ocorra um grande fluxo de corrente sob tensões suficientemente altas. A resistência de um componente pode ser calculada pelas suas características físicas. A resistência é proporcional ao comprimento do resistor e à resistividade do material (uma propriedade do material), e inversamente proporcional à área da secção transversal. A equação para determinar a resistência de uma seção do material é:

Onde é a resistividade do material, é o comprimento, e é a área da secção transversal. Isso pode ser estendido a uma integral para áreas mais complexas, mas essa fórmula simples é aplicável a fios cilíndricos e à maioria dos condutores comuns. Esse valor está sujeito a mudanças em altas freqüências devido ao efeito skin, que diminui a superfície disponível da área. Resistores padrões são vendidos com capacidades variando desde uns poucos miliohms até cerca de um gigaohm; apenas uma série limitada de valores, chamados valores preferenciais, estão disponíveis. Na prática, o componente discreto vendido como "resistor" não é um resistor perfeito como definido acima. Resistores são freqüentemente marcados com sua tolerância (a variação máxima esperada da resistência marcada). Em resistores codificados com cores, uma faixa mais cinza à direita demonstra uma tolerância de 10%, uma faixa dourada significa 5% de tolerância, uma faixa vermelha marca 2% e uma faixa marrom significa 1% de tolerância. Resistores com tolerância menores, também chamados de resistores de precisão, também estão disponíveis. Um resistor tem uma d.d.p. e corrente máximas de trabalho, acima das quais a resistência pode mudar (drasticamente, em alguns casos) ou o resistor pode se danificar fisicamente (queimar, por exemplo). Embora alguns resistores tenham as taxas de d.d.p. e corrente especificadas, a maioria deles são taxados em função de sua potência máxima, que é determinada pelo tamanho físico. As taxas mais comuns para resistores de composição de carvão e filme de metal são 1/8 watt, 1/4 watt e 1/2 watt. Resistores de filme de metal são mais estáveis que os de carvão quanto a mudanças de temperatura e a idade. Resistores maiores são capazes de dissipar mais calor por causa de sua área de superfície maior. Resistores dos tipos wire-wound e sand-filled são usados quando se necessita de taxas grandes de potência, como 20 Watts. Além disso, todos os resistores reais também introduzem alguma indutância e capacitância, que mudam o comportamento dinâmico do resistor da equação ideal.

Resistor variável

Alguns resistores variáveis ficam dentro de blocos que devem ser abertos de modo a ajustar o valor do resistor. Esse resistor variável de 5000 watts é usado para o freio dinâmico da turbina de vento de um gerador da Lakota (True North Power)

O resistor variável é um resistor cujos valores podem ser ajustados por um movimento mecânico, por exemplo, rodando manualmente. Os resistores variáveis podem ser de volta simples ou de múltiplas voltas com um elemento helicoidal. Alguns têm um display mecânico para contar as voltas.

Reostato

é um resistor variável com dois terminais, sendo um fixo e o outro deslizante. Geralmente são utilizados com altas correntes.

Potenciômetro

É um tipo de resistor variável comum, sendo comumente utilizado para controlar o volume em amplificadores de áudio.

Metal Óxido Varistor ou M.O.V. / Varistores

É um tipo especial de resistor que tem dois valores de resistência muito diferentes, um valor muito alto em baixas voltagens (abaixo de uma voltagem específica), e outro valor baixo de resistência se submetido a altas voltagens (acima da voltagem específica do varistor). Ele é usado geralmente para proteção contra curtos-circuitos em extensões ou pára-raios usados nos postes de ruas, ou como "trava" em circuitos eletromotores.

Termistores

Dão resistências que variam o seu valor de acordo com a temperatura a que estão submetidas. A relação geralmente é directa, porque os metais usados têm uma coeficiente de temperatura positivo, ou seja se a temperatura sobe, a resistência também sobe. Os metais mais usado são a platina, daí as desisgnação Pt100 e Pt1000(100 porque à temperatura 0 °C, têm uma resistência de 100ohm, 1000 porque à temperatura 0 °C, têm uma resistência de 1000ohm) e o Níquel (Ni100).

Os termistores PTC e NTC, são um caso particular, visto que em vez de metais usam semicondutores, por isso alguns autores não os consideram resistores.

• PTC (Positive Temperature Coefficient)

É um resistor dependente de temperatura com coeficiente de temperatura positivo. Quando a temperatura se eleva, a resistência do PTC aumenta. PTCs são freqüentemente encontrados em televisores, em série com a bobina desmagnetizadora, onde são usados para prover uma curta rajada de corrente na bobina quando o aparelho é ligado.

Uma versão especializada de PTC é o polyswitch que age como um fusível auto-rearmável.

• NTC (Negative Temperature Coefficient)

Também é um resistor dependente da temperatura, mas com coeficiente negativo. Quando a temperatura sobe, sua resistência cai. NTC são freqüentemente usados em detectores simples de temperaturas, e instrumentos de medidas.

LDR (Light Dependent Resistor)

É uma resistência que varia, de acordo com a intensidade luminosa incidida. A relação geralmente é inversa, ou seja a resistência diminui com o aumento da intensidade luminosa. Muito usado em sensores de luminosidade ou crespusculares.

Especificação técnica de resistores
As especificações técnicas de um resistor são:

• Características fundamentais
  • Valor nominal da resistência [Ohm]
  • Potência de dissipação nominal [W]
• Características secundárias
  • Tolerância [%] (indica a diferença máxima em percentagem de variação do valor da resistência)
  • Coeficiente de temperatura
  • Coeficiente de tensão
  • Tensão máxima nominal [V]
  • Tensão de ruído
  • Diagrama de potência-temperatura
  • Característica resistência-frequência

Potência de dissipação nominal [W]* Tolerância [%] (indica a diferença máxima (+/-) entre o valor nominal e o valor real da resistência) Os três primeiros são sempre indicados. A sucessão de valores nominais de resistência alta se ajusta a uma progressão geométrica:

onde é o valor nominal da resistência na posição e é um coeficiente relacionado com a tolerância:

Tolerância [%]	k	Nome da Série
20	6	E6
10	12	E12
5	24	E24
2	48	E48
1	96	E96
0.5	192	E192
0.25	192	E192
0.1	192	E192

Associações entre Resistores
Os resistores são combinados em quatro tipos de associação, sendo elas denominadas de série, paralelo, estrela e triângulo. Estes são diferenciados pela forma da ligação entre eles. Qualquer que seja o tipo da associação, esta sempre resultará numa única resistência total, a qual é normalmente designada por resistência equivalente e sua forma abreviada de escrita é R_eq.
As associações entre resistores podem ser dos quatro tipos:

• Circuito em série
• Circuito em paralelo
• Circuito em estrela
• Circuito em triângulo

Código de cores de resistores

Transistores

O transistor é um componente eletrônico que começou a popularizar-se na década de 1950, tendo sido o principal responsável pela revolução da eletrônica na década de 1960. São utilizados principalmente como amplificadores e interruptores de sinais elétricos. O termo vem de transfer resistor (resistor/resistência de transferência), como era conhecido pelos seus inventores.
O processo de transferência de resistência, no caso de um circuito analógico, significa que a impedância característica do componente varia para cima ou para baixo da polarização pré-estabelecida. Graças a esta função, a corrente elétrica que passa entre coletor e emissor do transistor varia dentro de determinados parâmetros pré-estabelecidos pelo projetista do circuito eletrônico. Esta variação é feita através da variação de corrente num dos terminais chamados base, o que, consequentemente, ocasiona o processo de amplificação de sinal.
Entende-se por "amplificar" o procedimento de tornar um sinal elétrico mais fraco num mais forte. Um sinal elétrico de baixa intensidade, como os sinais gerados por um microfone, é injetado num circuito eletrônico (transistorizado por exemplo), cuja função principal é transformar este sinal fraco gerado pelo microfone em sinais elétricos com as mesmas características, mas com potência suficiente para excitar os alto-falantes. A este processo todo dá-se o nome de ganho de sinal.

Invenção
O transistor de silicio e germanio foi inventado nos Laboratórios da Bell Telephone por Bardeen e Brattain em 1947 e, inicialmente, demonstrado em 23 de Dezembro de 1948, por John Bardeen, Walter Houser Brattain e William Bradford Shockley, que foram laureados com o Nobel de Física em 1956. Ironicamente, eles pretendiam fabricar um transistor de efeito de campo (FET) idealizado por Julius Edgar Lilienfeld antes de 1925, mas acabaram por descobrir uma amplificação da corrente no ponto de contato do transistor. Isto evoluiu posteriormente para converter-se no transistor de junção bipolar (BJT). O objetivo do projeto era criar um dispositivo compacto e barato para substituir as válvulas termoiônicas usadas nos sistemas telefônicos da época.
Os transistores bipolares passaram, então, a ser incorporados a diversas aplicações, tais como aparelhos auditivos, seguidos rapidamente por rádios transistorizados. Mas a indústria norte-americana não adotou imediatamente o transistor nos equipamentos eletrônicos de consumo, preferindo continuar a usar as válvulas termoiônicas, cuja tecnologia era amplamente dominada. Foi por meio de produtos japoneses, notadamente os rádios portáteis fabricados pela Sony, que o transistor passou a ser adotado em escala mundial.
Nessa época, o MOSFET (Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor – Transistor de Efeito de Campo formado por Metal, Óxido e Silício) ficou em segundo plano, quase esquecido. Problemas de interface inviabilizavam a construção dos MOSFETs. Contudo, em 1959, Atalla e Kahng, da Bell Labs, fabricaram e conseguiram a operação de um transistor MOS. Nessa época, os transistores MOS eram tidos como curiosidade, devido ao desempenho bastante inferior aos bipolares.
A grande vantagem dos transistores em relação às válvulas foi demonstrada em 1958, quando Jack Kilby, da Texas Instruments, desenvolveu o primeiro circuito integrado, consistindo de um transistor, três resistores e um capacitor, implementando um oscilador simples. A partir daí, via-se a possibilidade de criação de circuitos mais complexos, utilizando integração de componentes. Isto marcou uma transição na história dos transistores, que deixaram de ser vistos como substitutos das válvulas e passaram a ser encarados como dispositivos que possibilitam a criação de circuitos complexos, integrados.
Em 1960, devido a sua estrutura mais simples, o MOS passou a ser encarado como um dispositivo viável para circuitos digitais integrados. Nessa época, havia muitos problemas com estados de impurezas, o que manteve o uso do MOS restrito até o fim da década de 60. Entre 1964 e 1969, identificou-se o Sódio Na como o principal causador dos problemas de estado de superfície e começaram a surgir soluções para tais problemas.
No início da tecnologia MOS, os transistores PMOS foram mais utilizados, apesar de o conceito de Complementary MOS (CMOS) já ter sido introduzido por Weimer. O problema ainda era a dificuldade de eliminação de estados de superfície nos transistores NMOS.
Em 1970, a Intel anunciava a primeira DRAM, fabricada com tecnologia PMOS. Em 1971, a mesma empresa lançava o primeiro microprocessador do mundo, o 4004, baseado em tecnologia PMOS. Ele tinha sido projetado para ser usado em calculadoras. Ainda em 1971, resolviam-se os problemas de estado de superfície e emergia a tecnologia NMOS, que permitia maior velocidade e maior poder de integração.
O domínio da tecnologia MOS dura até o final dos anos 70. Nessa época, o NMOS passou a ser um problema, pois com o aumento da densidade dos CIs, a tecnologia demonstrou-se insuficiente, pois surgem grandes problemas com consumo de potência (que é alta nesse tipo de tecnologia). Com isso, a tecnologia CMOS começava a ganhar espaço.
A partir da década de 80, o uso de CMOS foi intensificado, levando a tecnologia a ser usada em 75% de toda a fabricação de circuitos, por volta do ano 2000.

Alguns números
O primeiro processador de 8 bits (Intel 8008) usava tecnologia PMOS e tinha freqüência de 0,2 MHz. Ano de fabricação: abril/1972 – 3500 transistores com 10 um ou 10000 nm, com uma tensão de trabalho de 5 V;
10 anos depois, a Intel lançou o 80286, com freqüências de 6, 10 e 12 MHz, fabricado com tecnologia CMOS – 134.000 transistores 1,5 um ou 1500 nm, com uma tensão de trabalho de 5 V;
O Pentium 4, lançado em janeiro de 2002, trabalha com freqüências de 2200 a 3000 MHz, com 55 milhões de transistores CMOS 130 nm. A série de chips Radeon 2000, por exemplo, atinge os 500 milhões de transistores, chegando à casa dos 40 nm.

Importância
O transistor é considerado por muitos uma das maiores descobertas ou invenções da história moderna, tendo tornado possível a revolução dos computadores e equipamentos eletrônicos. A chave da importância do transistor na sociedade moderna é sua possibilidade de ser produzido em enormes quantidades usando técnicas simples, resultando preços irrisórios.
É conveniente salientar que é praticamente impossível serem encontrados circuitos integrados que não possuam, internamente, centenas, milhares ou mesmo milhões de transistores, juntamente com outros componentes como resistências e condensadores. Por exemplo, o microprocessador Cell do console tem aproximadamente 234 milhões de transistores, usando uma arquitetura de fabricação de 45 nanômetros, ou seja, a porta de controle de cada transistor tem apenas 45 milionésimos de um milímetro.
Seu baixo custo permitiu que se transformasse num componente quase universal para tarefas não-mecânicas. Visto que um dispositivo comum, como um refrigerador, usaria um dispositivo mecânico para o controle, hoje é frequente e muito mais barato usar um microprocessador contendo alguns milhões de transistores e um programa de computador apropriado para realizar a mesma tarefa. Os transistores, hoje em dia, têm substituído quase todos os dispositivos eletromecânicos, a maioria dos sistemas de controle, e aparecem em grandes quantidades em tudo que envolva eletrônica, desde os computadores aos carros.
Seu custo tem sido crucial no crescente movimento para digitalizar toda a informação. Com os computadores transistorizados a oferecer a habilidade de encontrar e ordenar rapidamente informações digitais, mais e mais esforços foram postos em tornar toda a informação digital. Hoje, quase todos os meios na sociedade moderna são fornecidos em formato digital, convertidos e apresentados por computadores. Formas analógicas comuns de informação, tais como a televisão ou os jornais, gastam a maioria do seu tempo com informação digital, sendo convertida no formato tradicional apenas numa pequena fração de tempo.

Fabricação

Símbolos dos transistores bipolares

Os materiais utilizados na fabricação do transistor são principalmente o Silício (Si), o Germânio (Ge), o Gálio (Ga) e alguns óxidos. Na natureza, o silício é um material isolante elétrico, devido à conformação das ligações eletrônicas de seus átomos, gerando uma rede eletrônica altamente estável. Atualmente, o transistor de germânio não é mais usado, tendo sido substituído pelo de silício, que possui características muito melhores.
O silício é purificado e passa por um processo que forma uma estrutura cristalina em seus átomos. O material é cortado em finos discos, que a seguir vão para um processo chamado de dopagem, onde são introduzidas quantidades rigorosamente controladas de materiais selecionados (conhecidos como impurezas) que transformam a estrutura eletrônica, introduzindo-se entre as ligações dos átomos de silício. O Silício realiza ligações covalentes de quatro elétrons. Quando adicionamos uma impureza com 3 elétrons na última camada, faltará um elétron na ligação covalente, formando os buracos e caracterizando a pastilha como pastilha P. Quando adicionamos uma impureza com 5 elétrons na última camada, vai sobrar um elétron na ligação covalente com o silício. Esses elétrons livres têm pouca interação com seu átomo, então qualquer energia fornecida o faz sair, sendo assim um elétron livre (assim se forma a pastilha N, que tem esse nome por ter maior número de elétrons livres). A pastilha P tem menos elétrons livres e mais "buracos" e a Pastilha N tem mais elétrons livres que buracos. Não podemos dizer que a pastilha P é positiva nem que a pastilha N é negativa, porque a soma total de elétrons é igual à soma total de prótons. Quando unimos a pastilha P e a pastilha N, os elétrons livres em excesso na pastilha N migram para a pastilha P e os buracos da pastilha P migram para a pastilha N. Deste modo a pastilha P fica negativa e a pastilha N fica positiva. Isto é o diodo.
O transistor é montado justapondo-se uma camada P, uma N e outra P (unindo-se dois diodos), criando-se um transistor do tipo PNP. O transistor do tipo NPN é obtido de modo similar. A camada do centro é denominada base, e as outras duas são o emissor e o coletor. No símbolo do componente, o emissor é indicado por uma seta, que aponta para dentro do transistor se o componente for PNP, ou para fora, se for NPN.
Cientistas portugueses do Centro de Investigação de Materiais (Cenimat) da Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa, conseguiram fabricar pela primeira vez transistores com papel.^[1]. Essa equipe de investigadores foi liderada por Elvira Fortunato e Rodrigo Martins.

Funcionamento

Transístor moderno de alta potência

No transistor de junção bipolar ou TJB (BJT – Bipolar Junction Transistor na terminologia inglesa), o controle da corrente coletor-emissor é feito injetando corrente na base. O efeito transistor ocorre quando a junção coletor-base é polarizada reversamente e a junção base-emissor é polarizada diretamente. Uma pequena corrente de base é suficiente para estabelecer uma corrente entre os terminais de coletor-emissor. Esta corrente será tão maior quanto maior for a corrente de base, de acordo com o ganho.

Características de um transistor
O fator de multiplicação da corrente na base (iB), mais conhecido por Beta do transistor ou por hfe, que é dado pela expressão iC = iB x ß

• iC: corrente de coletor
• iB: corrente de base
• B: beta (ganho de corrente de emissor)

Configurações básicas de um transistor:
Existem três configurações básicas (BC, CC e EC), cada uma com suas vantagens e desvantagens.
Base comum (BC)

• Baixa impedância(Z) de entrada.
• Alta impedância(Z) de saída.
• Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada.
• Amplificação de corrente igual a um.

Coletor comum (CC)

• Alta impedância(Z) de entrada.
• Baixa impedância(Z) de saída.
• Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada.
• Amplificação de tensão igual a um.

Emissor comum (EC)

• Média impedância(Z) de entrada.
• Alta impedância(Z) de saída.
• Defasagem entre o sinal de saída e o de entrada de 180°.
• Pode amplificar tensão e corrente, até centenas de vezes.

Os transistores possuem diversas características. Seguem alguns exemplos dos parâmetros mais comuns que poderão ser consultadas nos datasheets dos fabricantes:

• Tipo: é o nome do transistor.
• Pol: polarização; negativa quer dizer NPN e positiva significa PNP.
• VCEO: tensão entre coletor e emissor com a base aberta.
• VCER: tensão entre coletor e emissor com resistor no emissor.
• IC: corrente máxima do coletor.
• PTOT: é a máxima potência que o transistor pode dissipar
• Hfe: ganho (beta).
• Ft: freqüência máxima.
• Encapsulamento: a maneira como o fabricante encapsulou o transistor nos fornece a identificação dos terminais.

Existem também outros tipos de transistores, notadamente os de efeito de campo (transistores FET, de Field Effect Transistor); neste caso, o controle da corrente é feito por tensão aplicada à porta.

Diodos

Diodo semicondutor é um dispositivo ou componente eletrônico composto de cristal semicondutor de silício ou germânio numa película cristalina cujas faces opostas são dopadas por diferentes gases durante sua formação.
É o tipo mais simples de componente eletrônico semicondutor, usado como retificador de corrente elétrica. Possui uma queda de tensão de 0,3 V(germânio) e 0,7 V(silício).

Aparência real do diodo, no mesmo alinhamento que o seu símbolo. O terminal mais próximo da barra fina é o catodo.

Comportamento em circuitos

O diodo é um componente eléctrico que permite que a corrente atravesse-o num sentido com muito mais facilidade do que no outro. O tipo mais comum de diodo é o diodo semicondutor, no entanto, existem outras tecnologias de diodo. Diodos semicondutores são simbolizados em diagramas esquemáticos como na figura abaixo. O termo "diodo" é habitualmente reservado a dispositivos para sinais baixos, com correntes iguais ou menores a 1 A.

Quando colocado em um simples circuito bateria-lâmpada, o diodo vai permitir ou impedir corrente através da lâmpada, dependendo da polaridade da tensão aplicada, como nas duas figuras abaixo.


Na imagem da esquerda o diodo está diretamente polarizado, há corrente e a lâmpada fica acesa. Na imagem da direita o diodo está inversamente polarizado, não há corrente, logo a lâmpada fica apagada.
O diodo funciona como uma chave de acionamento automático (fechada quando o diodo está directamente polarizado, e aberta quando o diodo está inversamente polarizado), a diferença mais substancial é que quando diretamente polarizado há uma queda de tensão no diodo muito maior do que a que geralmente há em chaves mecânicas, no caso do diodo de silício, 0,7 V; assim, uma fonte de tensão de 10 V polarizando diretamente um diodo em série com uma resistencia, fará com que haja uma queda de tensão de 9,3 V na resistencia, pois 0,7 V ficam no diodo. Na polarização inversa acontece o seguinte, o diodo fará papel de uma chave aberta, já que não circula corrente, não haverá tensão no resitor, a tensão ficará toda retida no diodo, ou seja, nos terminais do diodo haverá uma tensão de 10 V.
A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos retificadores de corrente, é transformar corrente alternada em corrente contínua pulsante, já que no semiciclo negativo de uma corrente alternada o diodo fará a função de uma chave aberta, não circulará corrente elétrica no circuito (considerando o “sentido convencional de corrente”, do “positivo” para o “negativo”). A principal função de um diodo semicondutor, em circuitos de corrente contínua, é controlar o fluxo da corrente, permitindo que a corrente elétrica circule apenas em um sentido.

 A dopagem do diodo semicondutor e os cristais P e N

A dopagem no diodo é feita pela introdução de elementos dentro de cristais tetravalentes, normalmente feitos de silício e germânio. Dopando esses cristais com elementos trivalentes, obterá átomos com sete elétrons na camada de valência, que necessitam de mais um elétron para a neutralização (cristal P). Para a formação do cristal P, utiliza-se principalmente o elemento Indio. Dopando os cristais tetravalentes com elementos pentavalentes, obter-se-á átomos neutralizados(com oito elétrons na camada de valência) e um elétron excedente (cristal N).
Para a formação do cristal N, utiliza-se principalmente o elemento Fósforo. Quanto maior a intensidade da dopagem, maior será a condutibilidade dos cristais, pois suas estruturas apresentarão um número maior de portadores livres (lacunas e elétrons livres) e poucas impurezas que impedem a condução da corrente elétrica. Outro fator que influencia na condução desses materiais é a temperatura. Quanto maior for sua temperatura, maior será a condutibilidade pelo fato de que a energia térmica ter a capacidade de quebrar algumas ligações covalentes da estrutura, acarretando no aparecimento de mais portadores livres para a condução de corrente elétrica.
Após dopadas, cada face dos dois tipos de cristais (P e N)terá uma determinada característica diferente da oposta, gerando regiões de condução do cristal, uma com excesso de elétrons, outra com falta destes (lacunas), e entre ambas, haverá uma região de equilíbrio por recombinação de cargas positivas e negativas, chamada de região de depleção (à qual possui uma barreira de potencial).

 Polarização do diodo

Gráfico mostra a curva característica do comportamento do diodo em sua polarização direta e inversa

A polarização do diodo é dependente da polarização da fonte geradora. A polarização é direta quando o pólo positivo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal P(chamado de anodo) e o pólo negativo da fonte geradora entra em contato com o lado do cristal N(chamado de catodo). Assim, se a tensão da fonte geradora for maior que a tensão interna do diodo, os portadores livres se repelirão por causa da polaridade da fonte geradora e conseguirão ultrapassar a junção P-N, movimentando-os e permitindo a passagem de corrente elétrica. A polarização é indireta quando o inverso ocorre. Assim, ocorrerá uma atração das lacunas do anodo(cristal P) pela polarização negativa da fonte geradora e uma atração dos elétrons livres do catodo(cristal N) pela polarização positiva da fonte geradora, sem existir um fluxo de portadores livres na junção P-N, ocasionando no bloqueio da corrente elétrica. Pelo fato de que os diodos fabricados não são ideais(contém impurezas), a condução de corrente elétrica no diodo (polarização direta) sofre uma resistência menor que 1 ohm, que é quase desprezível. O bloqueio de corrente elétrica no diodo (polarização inversa) não é total devido novamente pela presença de impurezas, tendo uma pequena corrente que é conduzida na ordem de microampéres, chamada de corrente de fuga, que também é quase desprezível.

 Testes com o diodo

Os diodos, assim como qualquer componente eletrônico, operam em determinadas correntes elétricas que são especificadas em seu invólucro ou são dadas pelo fabricante em folhetos técnicos. Além da corrente, a voltagem inversa(quando o diodo está polarizado inversamente) também é um fator que deve ser analisado para a montagem de um circuito e que tem suas especificicações fornecidas pelo fabricante. Se ele for alimentado com uma corrente ou tensão inversa superior a que ele suporta, o diodo pode ser danificado, ficando em curto ou em aberto. Utilizando de um ohmímetro ou um multímetro com teste de diodo, pode-se verificar se ele está com defeito. Colocando-se as pontas de prova desses aparelhos nas extremidades do diodo(catodo e ânodo), verifica-se que existe condução quando se coloca a ponteira positiva no ânodo e a negativa no catodo, além de indicar isolação quando ocorre o inverso. Assim o díodo está em perfeitas condições de operação e com isso é possível a localização do catodo e do ânodo, porém se os aparelhos de medição indicarem condução dos dois caminhos do díodo, ele está defeituoso e em curto. Se os aparelhos de medição indicarem isolação nos dois caminhos, ele também está defeituoso e em aberto.

 Usos

O fenômeno da condutividade em um só sentido é aproveitado como um chaveamento da corrente elétrica para a retificação de sinais senoidais, portanto, este é o efeito diodo semicondutor tão usado na eletrônica, pois permite que a corrente flua entre seus terminais apenas numa direção. Esta propriedade é utilizada em grande número de circuitos eletrônicos e nos retificadores.
Os retificadores são circuitos elétricos que convertem a tensão CA (AC) em tensão CC (DC). CA vem de Corrente alternada, significa que os elétrons circulam em dois sentidos, CC (DC), Corrente contínua, isto é circula num só sentido.
A certa altura o potencial U , formado a partir da junção n e p não deixa os eletrons e lacunas movimentarem-se, este processo dá-se devida assimetria de cargas existente.

 Tipos de diodos semicondutores

Os diodos são projetados para assumir diferentes características: diodos retificadores são capazes de conduzir altas correntes elétricas em baixa frequência, diodos de sinal caracterizam-se por retificar sinais de alta frequência, diodos de chaveamento são indicados na condução de altas correntes em circuitos chaveados. Dependendo das características dos materiais e dopagem dos semicondutores há uma gama de dispositivos eletrônicos variantes do diodo:

Diodo		Diodo zener		Diodo Schottky		Diodo túnel
Diodo emissor de luz		Fotodiodo		Varicap		SCR