Componentes Ativos – Transistor – Parte 2

No post anterior vimos os conceitos principais do transistor e montamos um circuito onde ele foi inserido para operar nas regiões de corte e saturação, agindo como uma chave eletrônica para acionamento de um LED. Na postagem de hoje, vou falar sobre polarização, classe de amplificação, amplificação de sinais usando transistores e como usar o transistor em um circuito amplificador, fazendo os cálculos para os resistores do circuito.

Na postagem Componentes Ativos – Transistor – Parte 1 vimos que, quando aplicamos uma corrente na base do transistor NPN, ele permite que a corrente passe do coletor para o emissor proporcionalmente a corrente recebida na base (lembre-se que, o sentido da corrente é ao contrário nos transistores PNP). Este efeito mencionado anteriormente, é que permite o uso do transistor como amplificador.

O transistor não amplifica diretamente o sinal original. O sinal original é inserido na base do transistor e conforme ele varia, permite a variação de uma outra fonte de energia que está ligada ao coletor. Esta fonte de energia que é mais forte, varia proporcionalmente do coletor para o emissor e pode ser considerada um “espelho amplificado” do sinal original.

A polarização de um transistor é a ligação das fontes de corrente continua aos seus terminais com as polaridades corretas, de forma que o transistor funcione corretamente. Existe a polarização fixa, que é instável por ocasionar avalanche térmica, há também a polarização automática que tem um ganho reduzido por causa da realimentação negativa causada por um de seus resistores, e o tipo mais comum de polarização é a polarização por divisão de tensão, conforme imagem abaixo.

Este tipo de polarização (divisão de tensão), torna o ganho do circuito quase independente do beta (hfe), isto se faz necessário porque o beta é muito sensível a variação de temperatura, principalmente nos transistores de silício, e com este tipo de polarização, o beta é pouco influenciado pelo circuito.

Os amplificadores geralmente são divididos em classes que levam em consideração as características de operação do estágio de saída e que inclui a eficiência tanto em potência quanto em qualidade.

Amplificadores Classe A são considerados os amplificadores com as melhores características de linearidade, pois é capaz de fornecer em sua saída um sinal sem distorções. Os amplificadores desta classe possuem uma corrente de polarização dos transistores que faz com que conduzam a todo tempo para qualquer sinal de entrada.

Como característica deste tipo de amplificador, temos o rendimento máximo teórico que é de 25%, isto é, se o amplificador fornece 100W de som, consome 300W em calor e consome 400W da fonte de tensão, na prática o rendimento está entre 10 e 20%.

Nos amplificadores Classe B o circuito básico é composto por 2 transistores complementares que conduzem em cada ciclo do sinal de entrada, onde Q1 conduz para sinais positivos, Q2 conduz para sinais negativos e na ausência de sinal de entrada nenhum dos transistores conduzem. O que ocorre nesta configuração é a perda da linearidade, pois é necessário o mínimo de 0.5V para o transistor conduzir, logo, sua curva de transferência é distorcida (distorção de crossover).

O rendimento teórico máximo de amplificadores Classe B é de 50%.

Os amplificadores de Classe AB são estruturalmente bem parecidos com um Classe B, contudo, possuem uma pequena corrente de polarização que flui constantemente, independente do sinal de entrada e a distorção de crossover do Classe B pode ser quase que eliminada.
Um amplificador Classe AB funciona como um Classe A quando operando com pequenos sinais e como Classe B quando operando com sinais de grande amplitude. Cerca de 85% do mercado mundial de amplificadores são de Classe AB e seu rendimento prático está em torno de 50%.

Os amplificadores Classe D tem como característica principal o funcionamento através da modulação por largura de pulso (PWM – Pulse Width Modulation), fazendo com que os transistores funcionem ou ligados ou desligados e nunca “no meio”, ou seja, conduzindo alguma parcela de corrente. Este tipo de amplificador é conhecido como amplificador de “chaveamento” e devido a estas características, a eficiência em potência de um Classe D está em torno de 80%, contudo, a eficiência em qualidade não é muito boa, gerando distorção que é maior que a presente nos amplificadores Classe AB.

Para entender de onde vem a distorção, seguimos o sinal de entrada que após ser modulado em PWM, passa por um filtro passa-baixa com o intuito de “retirar” o sinal modulador. Este processo cria mudanças de fase e distorção, principalmente em frequências maiores que 1kHz, limitando o uso do amplificador Classe D para baixas frequências. Por este motivo que a maioria dos amplificadores Classe D disponíveis no mercado são voltados para utilização com subwoofer.

Nos amplificadores Classe T o funcionamento é parecido com um Classe D, contudo, ao invés do uso de PWM, o Classe T utiliza algoritmos e técnicas de Digital Power Processing (DPPTM) que levam em consideração as características dos transistores para evitar distorções.

Enquanto a modulação PWM para um Classe D trabalha com frequências de modulação fixa entre 100 a 200KHz, um Classe T trabalha com até mais de 1,5MHz e isso facilita a utilização de componentes mais baratos para a transformação do sinal modulado de volta para o som original. Este tipo de amplificador possui eficiência parecida com o Classe D e que é em torno de 80% , contudo, em alguns casos pode chegar até mais que 90% e diferente do Classe D, não causa distorções acima de 1kHz.

Agora que você já conhece um pouco sobre amplificadores, vou explicar como montar um na prática utilizando componentes simples. A partir do esquema abaixo, é possível montar um amplificador Classe A utilizando a polarização emissor comum e a polarização divisor de tensão:

A fonte de alimentação que vamos usar, é uma Fonte de 12V e o transistor é o BC548. É comum neste tipo de circuito dividirmos a tensão entre o resistor RL, o transistor TR1 e o resistor RE. Geralmente 40% da tensão é para o resistor RL, 50% para o transistor TR1 e 10% para o resistor RE.

Para prosseguir é necessário saber a corrente que vai passar pelo coletor. De acordo com o datasheet deste transistor, ele trabalha com corrente de coletor na faixa de 2 a 200mA. Para não forçar muito o transistor, vamos trabalhar com 50mA entre Ic e Ie. Com isso já temos as tensões e correntes, agora é só calcular os valores de RL e RE.

RL = VRL / Ic
RL = 4,8V / 50mA
RL = 96 ohm (valor comercial próximo 91 ohms)

RE = VRE / Ic
RE = 1,2 / 50 mA
RE = 24 ohm

Outro ponto comum neste tipo de circuito, é a corrente que passa no divisor de tensão (RB1 e RB2). Costuma-se usar no divisor, uma corrente 10 vezes menor que a corrente de coletor, ou seja, a corrente em RB1 e RB2 será de 5mA.

Para descobrir a tensão que passa em RB2, basta considerar que: entre base e emissor deve existir uma tensão de 0,7V para funcionamento do transistor e em RE temos uma tensão de 1,2V. Aplicando a Lei de Kirchhoff, temos:

VRB2 = Vbe + VRE
VRB2 = 1,9V

Ainda aplicando a Lei de Kirchhoff, podemos encontrar a tensão que passa por RB1:

VRB1 = VCC – VRB2
VRB1 = 12V – 1,9V
VRB1 = 10,1V

Com estes valores, podemos calcular o valor dos resistores RB1 e RB2:

RB1 = VRB1 / IRB1
RB1 = 10,1 / 5mA
RB1 = 2.020 ohm (valor comercial próximo é 2K).

RB2 = VRB2 / IRB2
RB2 = 1,9V / 5mA
RB2 = 380 ohm (valor comercial próximo é 390 ohm).

Para testes em corrente alternada, deve ser feito a inserção de capacitores no circuito, onde o capacitor CE em paralelo com o RE (R1) aumenta consideravelmente o ganho, pois ele reduz sensivelmente a impedância para o sinal em corrente alternada do emissor com o terra, e os capacitores C1 e C2 formam filtros passa-alta.

Para finalizar, agora que já sabemos os valores de todos os resistores do nosso circuito, vamos testá-lo no Proteus e ver se os cálculos estão corretos. Você pode clicar AQUI e fazer o download do projeto e importar para o programa.

Conforme pode ser visto na imagem acima, no osciloscópio a linha amarela representa a entrada de 1KHz com 10mV de amplitude e na saída recebemos um sinal de 1KHz com 159 mV, resultando em um ganho de 15,9.

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