Sumário1 INTRODUÇÃO.......................................................42 CONCEITOS BÁSICOS................................................5

2.1 Amplificadores de potência...................................52.1.1 Classes de operação.......................................5

2.2 Amplificador classe B........................................62.2.1 Amplificador classe B e a distorção de cruzamento (Crossover)......................................................6

2.2.2 Espelho de corrente.......................................7

2.3 Amplificador classe AB.......................................82.4 Projeto e parâmetros de amplificadores classe AB............10

2.4.1 Polarização do amplificador classe AB....................10

2.4.2 Ganho de tensão..........................................11

2.4.3 Impedâncias de entrada e de saída........................11

2.4.4 Eficiência...............................................13

2.5 Acionador emissor-comum com realimentação negativa..........143 DESENVOLVIMENTO.................................................15

3.1 Laboratório.................................................153.1.1 Materiais e instrumentos (laboratório)...................15

3.1.2 Proposta.................................................15

3.1.3 Projeto..................................................16

3.1.3.1 Polarização do amplificador classe AB................163.1.3.2 Ganho de tensão......................................17

3.1.3.3 Eficiência...........................................173.2 Simulação...................................................18

3.2.1 Proposta.................................................18

3.2.2 Projeto..................................................18

3.2.2.2 Cálculo da resistência R2.............................193.2.2.3 Desenho final do circuito............................19

4-RESULTADOS......................................................20

4

4.1 Laboratório.................................................20

4.2 Simulação...................................................225 CONSIDERAÇÕES FINAIS............................................24

6 REFERÊNCIAS.....................................................25

1 INTRODUÇÃO

Com os conceitos teóricos aprendidos em sala de aula, e

experimentalmente no laboratório, foi adquirido um embasamento

para aplicar tais conceitos e realizar um projeto com

amplificador classe AB, introduzindo novos componentes e

configurações, além do transistor junção bipolar, como o

transistor TIP e o buffer. O objetivo é observar o

funcionamento desta classe de amplificadores de potência e

entender cada passo através da montagem, dos cálculos e

medições, assim como compreender a influencia do projeto no

processo racional de energia. Pretende-se, ainda, promover o

aperfeiçoamento de habilidades, tais como o trabalho em equipe

e a disciplina, indispensáveis na formação de um profissional

qualificado.

5

6

2 CONCEITOS BÁSICOS

2.1 Amplificadores

Os amplificadores são fundamentais no processamento de

sinais, visto que a amplificação dos sinais torna o

processamento mais confiável, viabilizando a utilização desses

sinais para alguma aplicação específica.

De um ponto de vista conceitual, a mais simples dastarefas no processamento de sinal é a amplificação desinal. A necessidade de amplificações existe porque ostransdutores fornecem sinais que chamamos de “fracos”,isto é, na faixa de microvolt (μV) ou milivolt (mV), eque possuem baixa energia. Esses sinais são muitopequenos para um processamento confiável, que setornaria muito mais fácil se a amplitude do sinal fossemaior. (SEDRA; SMITH, 2000, p.9).

2.2 Amplificadores para pequenos sinais

A aproximação para pequenos sinais implica em manter a

amplitude dos sinais de entrada e saída suficientemente

pequenos, de modo que a operação do transistor TBJ

(amplificador), para uma dada polarização, fique restrita ao

segmento linear da curva IE versus VBE.

Os amplificadores de pequeno sinal são assimclassificados devido ao fato de operarem numa estreitafaixa em relação ao ponto quiescente (Q) obtido napolarização do transistor. A relação entre a corrente noemissor (IE) e a tensão base-emissor (VBE) de umtransistor não é linear e, ao fazer um sinal alternadoexcursionar na base (Vbe) em torno do ponto Q, pode darorigem a uma corrente no emissor distorcida em relaçãoao sinal aplicado na base. Um sinal pequeno na base do

7

transistor permite aproximar para uma reta a relação IE

versus VBE; tal aproximação é conhecida como regra dos 10% (MALVINO; BATES, 2007).

Em outras palavras, para minimizar a distorção da corrente

no emissor em relação ao sinal aplicado na base, o valor da

corrente pico a pico no emissor (ie) deve ser menor que 10% da

corrente de polarização do emissor no ponto quiescente (IEQ),

sendo a corrente total (IE) no emissor expressa pela equação

(1).

IE = IEQ + ie (1

)

Em consideração ao comportamento da curva, decorrente da

relação entre a corrente elétrica IE e a tensão VBE, observa-se

a presença de uma resistência na junção base-emissor do

transistor associada ao sinal alternado (razão entre vbe e ie),

identificada por resistência CA (re’), sendo estimada pela

equação (2), conforme sugerido por Malvino e Bates (2007).

re=25mVIEQ

(2

)

Analisando-se a equação (2), percebe-se que re’ depende da

corrente no emissor, ou seja, tal resistência muda de valor

durante a excursão do sinal de entrada e, caso seja de grande

amplitude, ocasiona uma distorção no sinal de saída. Devido a

essa dependência à corrente no emissor, a resistência re’ está

sujeita ao comportamento térmico da junção base-emissor.

8

2.2.1 Polarização do transistor por divisão de tensão –Análise CC

O objetivo da polarização é o estabelecimento de uma

corrente constante no emissor do TBJ. Tal corrente deve ser

calculável, previsível e insensível às variações de

temperatura e às grandes variações no valor de β encontradasem transistores de um mesmo tipo. Pretende-se ainda

estabelecer uma localização para o ponto Q (quiescente) que

permita a maior excursão do sinal de saída possível.

Ao realizar a polarização de um transistor através de umdivisor de tensão na base cria-se uma situaçãoequivalente a da polarização do emissor, na qual o pontoQ, ao longo da reta de carga, quase não se desloca, ouseja, colocando-se um resistor no emissor o ganho decorrente CC (βCC) tem um efeito menor sobre a corrente decoletor (MALVINO; BATES, 2007).

A polarização de um transistor na configuração emissor-

comum (EC) através de um divisor de tensão na base é mostrada

na Figura 1.

Figura 1 – Polarização de um transistor em EC através da polarização pordivisor de tensão

9

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2004)

Em termos práticos, Malvino e Bates (2007) recomendam uma

série de etapas para a polarização do transistor usando o

divisor de tensão na base, visando à colocação do ponto Q no

meio da reta de carga:

a) As tensões no resistor de coletor (VRC), coletor-emissor (VCE)

e resistor de emissor (VRE), devem ser, respectivamente,

0,4.VCC, 0,5.VCC (metade da reta de carga) e 0,1.VCC;

b) A partir da curva do transistor determina-se a corrente de

coletor (IC) através da reta de carga. Como βCC ≥ 100, a

corrente de emissor (IE) é aproximadamente igual a do coletor;

c) Os resistores RC e RE são calculados pelas equações (3) e

(4), respectivamente;

RC=0,4×VCC

IC(3

)

10

RE=0,1×VCC

IE(4

)

d) O cálculo do divisor de tensão, o qual se inicia pela

determinação de R2, podendo ser do tipo estável, conforme a

equação (5), ou do tipo firme, através da equação (6). A

escolha entre um tipo e outro depende das condições de projeto

no que diz respeito às características da resistência de

entrada durante a análise em corrente alternada (CA). O valor

do resistor R1 é obtido da equação (7).

R2≤0,01×βCC×RE (5

)

R2≤0,1×βCC×RE (6

)

R1=( VR1

VR2)×R2

(7

)

2.2.2 Ganho e parâmetros de entrada e saída do amplificador

Visando a determinação do ganho e especificação dos

parâmetros de entrada e saída do amplificador, torna-se

necessário o desenvolvimento da análise em CA para o circuito

da Figura 2. Os capacitores de acoplamento na base e no

coletor do transistor permitem receber e transferir um sinal

CA sem alterar o ponto Q do circuito, pois esses capacitores

11

bloqueiam a componente CC. Além disso, o capacitor de contorno

em RE, na presença de um sinal alternado, cria um terra para o

emissor do transistor, novamente mantendo estável a

localização do ponto Q na reta da carga.

Figura 2 – Circuito amplificador com transistor na configuração EC

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2004)

2.2.2.1 Modelo π

O Modelo π, também chamado de modelo híbrido, é um dos

modelos usados para a análise AC do funcionamento de um TBJ.

Neste modelo, o diodo do emissor se comporta como um resistor

(re’), enquanto que o diodo do coletor se assemelha a uma fonte

de corrente ic.

A equação (8) permite calcular a impedância de entrada do

lado da base. Deve-se lembrar que ie ,ic e ic = βib.

12

Z¿(base)

=Vbe

ib=ie×re'

ib=β×re'

(8

)A representação de um TBJ usando um modelo π é mostrada na

Figura 3.

Figura 3 – Modelo π para a representação de um transistor bipolar NPN

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2004)

O transistor da Figura 2 pode ser modelado usando esse

modelo híbrido, de forma que a análise AC deste circuito, na

qual a fonte CC é colocada em curto-circuito, leva ao circuito

esquematizado na Figura 4.

Figura 4 – Circuito equivalente CA para a configuração EC com divisor detensão na base do transistor

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2004)Analisando-se a Figura 4, percebe-se que a impedância de

saída do circuito é dada pela resistência presente no coletor

13

do transistor (RC), uma vez que a fonte de corrente representa

uma resistência teoricamente infinita. Caso uma carga seja

colocada na saída do amplificador, a impedância de saída

torna-se o paralelo da resistência RC com essa carga.

O ganho de tensão pode ser obtido pela razão entre a tensão

de saída pela entrada, conforme enunciado pela equação (9), na

qual rc = RC. Caso uma carga RL fosse ligada na saída do

circuito, rc seria igual a RC//RL.

AV=Vout

V¿

=β×ib×rc

ib×β×re'=

rcre'

(9

)

2.2.3 Outros parâmetros importantes do amplificador

O rendimento do amplificador permite avaliar quanta

potência o circuito solicita para determinada potência no

sinal amplificado. Quanto maior a eficiência, melhor é o

desempenho do amplificador do ponto de vista de sua

sustentabilidade, pois ele proporcionará baixo consumo de

energia.

O rendimento do amplificador pode ser calculado pela

equação (10).

η=Psinal

Pcircuito(10

)

Sendo:

Psinal: potência do sinal amplificado, presente em uma carga RL

conectada na saída do circuito, calculada pela equação (11).

14

Psinal=V2

LRMS

RL=

V2LPP

8×RL

(11

)

Pcircuito: potência decorrente da polarização do amplificador,

que leva em conta o produto da tensão (VCC) pela corrente (ICC)

solicitada da fonte CC, calculada pela equação (12).

Pcircuito=VCC×ICC=VCC× (Ic+Idivisor ¿) (12

)

2.3 Amplificadores de potência

Segundo Boylestad e Nashelsky (2004), em amplificadores de

pequenos sinais, os fatores principais são linearidade na

amplificação e amplitude de ganho. Como os sinais de tensão e

corrente são pequenos em amplificadores de pequenos sinais, a

quantidade de potência que ele é capaz de fornecer e sua

eficiência são fatores de pouco interesse. Por sua vez,

amplificadores de grandes sinais ou de potência fornecem,

sobretudo, potência suficiente a uma carga de saída a fim de

acionar um alto-falante ou outro dispositivo de potência. As

características principais de um amplificador de grandes

sinais são a eficiência de potência do circuito, a máxima

quantidade de potência que o circuito é capaz de fornecer, e o

casamento de impedância com o dispositivo de saída. Este tipo

de amplificador requer transistores de elevada potência e a

dissipação de calor é um ponto crítico do projeto. Além

15

disso, seu sinal de saída pode conter distorções. Ele é

subdividido em classes, as quais serão discutidas a seguir.

2.3.1 Classes de operação

Classe A: o transistor, estando devidamente polarizado,

opera o tempo todo na região ativa, ou seja, a partir de um

nível de tensão em VCE (polarização), normalmente a metade da

tensão de alimentação, o sinal amplificado excursiona dentro

de uma faixa de tensão entre a tensão de alimentação e 0 V. O

rendimento teórico máximo é de 25%, o que torna o amplificador

classe A inadequado para os estágios de maior potência, sendo,

portanto, mais indicado para os estágios de pequeno sinal (por

exemplo, na pré-amplificação);

Classe B: normalmente o circuito é composto por dois

transistores complementares (NPN e PNP), os quais são

responsáveis pela circulação da corrente de coletor em cada

semiciclo (positivo e negativo), o que proporciona uma

significativa redução na potência dissipada (praticamente não

há polarização), permitindo um rendimento teórico máximo do

circuito igual a 78,5%. O amplificador classe B, mediante

alguns ajustes, ocupa a maioria dos estágios de saída de

potência dos sistemas de áudio.

2.3.2 Amplificador classe B

16

Conforme mencionado, o amplificador classe B necessita de

alguns ajustes para que a sua operação seja satisfatória. Para

tanto, torna-se necessário realizar uma discussão sobre seu

funcionamento.

2.3.3 Amplificador classe B e a distorção de cruzamento

(Crossover)

Quando um amplificador opera em classe B significa que o

transistor funciona em apenas um semiciclo e, para uma

resposta completa na saída do circuito, podem ser utilizados

dois transistores num arranjo simétrico complementar

(transistores NPN e PNP), conhecido como push-pull, conforme

ilustrado na Figura 5. Todavia, neste tipo de configuração, a

tensão CA na entrada tem que superar a tensão vbe em cada um

dos transistores, para que estes entrem em operação em seu

respectivo semiciclo, fornecendo uma forma de onda na saída

distorcida (crossover); se o sinal de entrada for uma senóide, o

sinal de saída assume a forma de onda mostrada na Figura 6,

devido ao crossover. Os amplificadores classe B apresentam como

aspectos positivos o baixo valor de dreno de corrente do

circuito e a elevada eficiência de estágio, podendo chegar, no

máximo, em 78,5% (MALVINO; BATES, 2007).

Figura 5 – Amplificador classe B

17

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2004)

Figura 6 – Distorção no sinal de saída de um amplificador classe B

Fonte: Boylestad e Nashelsky (2004)

Nos amplificadores classe B, em que o sinal de entrada é de

pequena amplitude, o efeito do crossover é mais evidente; no caso

dos amplificadores de áudio a reprodução sonora é desagradável

(SEDRA; SMITH, 2007).

18

2.3.4 Espelho de corrente

Para contornar o crossover na operação de amplificadores em

classe B, recorre-se a realização de uma pequena polarização

que faz cada transistor conduzir um pouco mais que um

semiciclo, originando, portanto, uma classe intermediária de

amplificador conhecida como classe AB (MALVINO; BATES, 2007).

Nesse sentido, existem algumas técnicas de polarização,

todavia, será apresenta aquela baseada no espelho de corrente,

devido a sua simplicidade e estabilidade proporcionada ao

amplificador.

A Figura 7 ilustra o circuito elétrico de um espelho de

corrente, no qual a corrente IR que passa pela associação em

série do resistor R com o diodo D é dada pela equação (13).

Figura 7 – Espelho de corrente

19

Nesta configuração, caso o diodo de compensação D e a

junção base-emissor (diodo de emissor) possuírem a curva

tensão-corrente idênticas, a corrente de coletor IC será igual

à corrente através do resistor R, conforme a equação (14); daí

o nome espelho de corrente.

IR=VCC−VD

R(1

3)

Nesta configuração, caso o diodo de compensação D e a

junção base-emissor (diodo de emissor) possuírem a curva

tensão-corrente idênticas, a corrente de coletor IC será igual

à corrente através do resistor R, conforme a equação (14); daí

o nome espelho de corrente.

IC=IR (1

4)

2.4 Amplificador classe AB

20

A partir do arranjo simétrico (push-pull) de um seguidor de

emissor NPN com um seguidor de emissor PNP, realizando a

polarização da base por divisor de tensão com diodos (espelho

de corrente), conforme a Figura 8, coloca-se o ponto de

operação Q um pouco antes do ponto de corte de cada transistor

(VCC/2). É oportuno salientar que as características dos diodos

devem ser as mais próximas possíveis das dos diodos de emissor

dos transistores, visando compensar os efeitos da temperatura

sobre os transistores (variação de VBE com a temperatura).

Figura 8 – Amplificador classe AB com polarização por divisor de tensão

Nos projetos com componentes discretos nem sempre é fácil o

perfeito ajuste entre as características dos dispositivos

envolvidos (por exemplo, tolerâncias e diferenças

construtivas) sendo, portanto, necessário realizar alguns

ajustes dinâmicos através de potenciômetros. No caso da Figura

9, a tensão entre os nós A e B depende do ensaio da tensão VBE

21

dos transistores, a qual é ajustada através do potenciômetro

P1. O ajuste do potenciômetro P2 visa corrigir a tensão VCE dos

transistores, buscando mantê-la a mais estável possível em

VCC/2 (em cada transistor); caso contrário, a corrente de

coletor assumirá valores elevados.

Figura 9 – Amplificador classe AB com polarização por divisor de tensão

ajustável

22

A pequena polarização direta garante que haja uma condução

de corrente para cada transistor um pouco mais que um

semiciclo, minimizando (praticamente eliminando) o crossover.

Quanto ao funcionamento, durante o semiciclo positivo da

tensão de entrada, o transistor NPN opera como um seguidor de

emissor, transferindo o nível de tensão para a saída, porém

com uma maior injeção de corrente; no semiciclo negativo

ocorre a operação complementar por parte do transistor PNP.

2.4.1 Projeto e parâmetros de amplificadores classe AB

A seguir serão desenvolvidas as etapas necessárias para a

polarização de um amplificador classe AB, com polarização por

divisor de tensão, bem como apresentados e discutidos

parâmetros de interesse, tais como, ganho de tensão,

impedâncias de entrada e saída e eficiência.

2.4.2 Polarização do amplificador classe AB

Considerando-se a Figura 8, cada transistor possui uma

tensão entre o coletor e o emissor igual à metade de VCC e,

devido ao fato de operarem complementarmente, esta tensão é

aplicada na carga RL, determinado uma corrente de saturação no

coletor (IC_sat) dada pela equação (15).

ICsat=VCC /2RL

(1

5)

23

Malvino e Bates (2007) recomendam que a corrente no divisor

de tensão (Ibias) deve estar entre 1% e 5% da corrente de

saturação no coletor do transistor (IC_sat). A equação (16)

permite calcular o valor dos resistores (R) que irão compor o

divisor de tensão. Na condição de que os diodos de polarização

possuam as mesmas características que os diodos de emissor dos

transistores, a corrente de coletor quiescente (ICQ) terá o

mesmo valor da corrente Ibias (espelho de corrente).

R=VCC−(2.VBE)2.Ibias

(1

6)

2.4.3 Ganho de tensão

Na Figura 10 está representado o circuito equivalente CA

(modelo π) da parte correspondente ao transistor NPN doamplificador mostrado na Figura 8, o qual permite desenvolver

a equação (17) para a obtenção do ganho de tensão.

Figura 10 – Circuito equivalente CA da parte correspondente ao transistor

NPN do amplificador classe AB

24

AV=Vout

V¿

=RL.ie

ib.β (RL+re')

=RL. (β.ib)ib.β (RL+re

')=

RL

RL+re'(1

7)

Caso o valor de re’ for suficientemente pequeno em relação

à RL, o ganho fica aproximadamente igual a um, como no seguidor

de emissor. O mesmo ganho é obtido na outra metade do

amplificador.

2.4.4 Impedâncias de entrada e de saída

A impedância de entrada do circuito ilustrado na Figura 8 é

obtida a partir da análise do circuito equivalente CA (modelo

π), conforme a Figura 11; a equação (18) permite calcular a

impedância de entrada do amplificador classe AB, sendo rd a

resistência CA do diodo.

Figura 11 – Circuito equivalente CA visto na entrada do amplificador classe

AB

25

z¿=

rd+[R /¿β(RL

2+re

')]2

(1

8)

Com relação à impedância de saída, visando facilitar a

análise do circuito na Figura 4, será utilizado outro modelo

de circuito CA (modelo T), mostrado na Figura 12, a partir do

qual a associação equivalente (Figura 13) entre as impedâncias

envolvidas permite determinar a impedância de saída.

Figura 12 – Circuito equivalente CA visto pelo lado da carga

26

Figura 13 – Associação de impedâncias equivalente vista a partir da saída

do amplificador

2.4.5 Eficiência

A eficiência é obtida da razão entre a potência entregue à

carga RL e a potência solicitada pelo circuito para o seu

funcionamento (MALVINO; BATES, 2007). O cálculo inicia-se com

o valor da corrente de saturação no coletor IC_sat através da

equação (15), a partir da qual determina-se a corrente média

no coletor IAV aplicando-se a equação (19).

IAV=ICsat

π(1

9)

27

A soma entre a corrente IAV e a corrente que passa pelo

divisor de tensão Ibias, que pode ser obtida pela equação (16),

resulta na corrente elétrica total solicitada pelo circuito do

amplificador, conforme a equação (20).

ICC=Ibias+IAV (2

0)

O produto entre a corrente ICC e a tensão de alimentação

VCC, através da equação (21), determina a potência que o

amplificador necessita para sua operação.

PCC=ICC.VCC (2

1)

A potência entregue à carga RL é calculada pela equação

(22) e a eficiência, finalmente, é obtida através da equação

(23).

Pout=Vpp2

8.RL

(2

2)

Sendo: Vpp a tensão pico a pico na carga

η=PoutPcc

(23

)

2.4 Acionador emissor-comum com realimentação negativa

28

A Figura 14 mostra um amplificador classe AB que, ao invés

da entrada ser acoplada capacitivamente, utiliza um acionador

em emissor-comum com acoplamento direto. O transistor Q1

funciona como uma fonte de corrente que define a corrente de

polarização no divisor de tensão; o ganho de tensão do

acionador é calculado pela equação (24). Ainda em relação ao

esquema elétrico do amplificador sob análise, o resistor R2

possui duas funções importantes (MALVINO; BATES, 2007):

- determina a polarização CC de Q1, devido ao fato de estar

alimentado com uma tensão VCC/2;

- produz uma realimentação negativa para o sinal CA; se houver

um sinal crescente positivo na base de Q1, surgirá um sinal

crescente negativo em seu coletor, logo o sinal na saída do

amplificador será crescente negativo também, o qual será

realimentado, através de R2, para a base de Q1. O sinal

realimentado estará em oposição ao sinal original na entrada

(realimentação negativa), proporcionando uma melhor

estabilidade tanto na polarização quanto no ganho de tensão do

amplificador como um todo.

Figura 14 – Amplificador classe AB com acionador emissor comum com

realimentação negativa

29

Fonte: Malvino e Bates (2007)

AVacionador=R1+2.rd

re'(24

)

sendo:

rd e re’: resistências CA do diodo e da junção base-emissor do

transistor, respectivamente.

3 DESENVOLVIMENTO

Para desenvolver o amplificador classe AB é necessário a

construção de um pré-amplificador e um buffer anterior a ele.

O desenvolvimento desses circuitos está descrito a seguir.

3.1 Pré-amplificador

O pré-amplificador basicamente prepara um sinal eletrônico

para uma posterior amplificação ou processamento. Sabe-se que

as unidades de áudio de celulares, computadores, mp3s, entre

outros, fornecem um sinal em torno de 100mV,variando de acordo

30

com o fabricante e equipamento. O pré-amplificador tem,

portanto, a função de fornecer um ganho de tensão a esse

sinal.

3.1.1 Materiais e instrumentos

- 1 Transistor BC 548A (β = 150; vide data sheet)

- 3 Capacitores eletrolíticos de 10 µF

- 1 Capacitor eletrolítico de 220 µF

- Resistores (valores dependerão do projeto)

- Multímetro

- Osciloscópio

- Gerador de sinais

3.1.2 Projeto do Pré Amplificador

O pré-amplificador possui as seguintes características:

VCC=12V

AVO=−40

RL=8Ω

Sabe-se que as tensões no resistor de coletor (VRC),

coletor-emissor (VCE) e resistor de emissor (Vℜ), devem ser,

respectivamente, 0,4.VCC, 0,5.VCC (metade da reta de carga) e

0,1.VCC. Dessa forma:

31

VRC=0,4.12=4,8V

VCE=0,5.12=6V

Vℜ = 0,1 . 12 = 1,2 V

3.1.2.1 Cálculo de Rc

O cálculo de Rc decorre do modelo CC, através da

determinação do ponto Q sobre a reta de carga do transistor,

na qual conseguimos encontrar corrente do emissor IEQ= 2,4mA.

Como β ≥ 100 (β = 150), vale a aproximação ICQ = IEQ,

permitindo o cálculo da resistência Rc pela seguinte equação.

RC=VRC

ICQ=

4,8V2,4mA

≅2(25)

3.1.2.2 Cálculo de RE

Utilizando a equação (2) obtemos:

re'=

25×10−3

IEQ=25×10−3

2,4×10−3=10,41Ω(26)

RC = 2,2 kΩ (valor

comercial)

32

De acordo com a equação (9), o ganho de tensão nessas

condições seria maior que 60 [(2,0×103 )÷10,41=192,4 ], ou seja,não condizente com a proposta. Como RC não pode ser modificado,

visto que ele determina a impedância de saída desejada, resta

atuar sobre a resistência presente no emissor do transistor.

Para isso, deve-se “caminhar” sobre RE, dando origem a uma

resistência RE’ não desviada, conforme sugerido pela Figura 3.1

Figura 15 – Detalhe da exposição de parte do resistor do emissor RE, originando RE’

A realimentação parcial do emissor permite atenuar tantoa distorção do sinal amplificado quanto a instabilidadeno ganho, pois a ordem de grandeza do valor daresistência RE’ é, normalmente, superior ao valor de re’.A realimentação parcial possui três vantagens:estabiliza o ganho de tensão, aumenta a impedância deentrada da base e reduz a distorção em grandes sinais(MALVINO; BATES, 2007).

Diante do exposto, o ganho de tensão, sugerido pela equação

(9) fica modificado para a equação (15) como descrito no

33

inicio do projeto, permitindo o ajuste do valor de RE’ para

obter o ganho desejado.

Avo=rC

re'+RE'

40= 2×10310,41+RE'

→RE'=40,76Ω(27)

RE’ = 33 Ω (valor

comercial)

Com a equação (4) calcula-se o valor de RE e através da

equação (28) determina-se o quanto de RE será desviado pelo

capacitor (RE’’) perante a análise CA.

RE=0,1×VCC

IE= 0,1×122,4×10−3=500Ω

RE=RE'+RE

500=29,59+RE → R rsub E =470,31Ω

(2

8)

RE” = 470 Ω (valor

comercial)

3.1.2.3 Determinação do divisor de tensão na base do

transistor

34

Conforme sugerido pelas equações (5) e (6), o divisor de

tensão pode ser do tipo estável ou do tipo firme. Neste caso,

o tipo firme já é suficiente, de forma que o R2 é calculado

então pela equação (6). Essa equação garante que não haja

interferência da resistência da fonte (R2) na carga.

R2≤0,1×βCC×RE

R2≤0,1×150×500→R2≤7,5kΩ

R2 = 6,9 kΩ (valor

comercial)

Figura 16-Modelo CA da entrada do pré-amplificador

Do circuito de polarização obtém-se a tensão sobre o

resistor R2

VR2=Vℜ+VBE=0,1×VCC+VBE (2

9)VR2=1,2+0,7→VR2=1,9V

35

Desprezando-se a corrente que é desviada para a base do

transistor (IB≅0), a tensão sobre o resistor R1 é:

VR1=VCC−VR2 (3

0)

VR1=12−1,9→VR1=10,1V

R1=( VR1

VR2)×R2=(10,11,9 )×7,5×103=39,9kΩ (3

1)R1 = 39 kΩ (valor

comercial)

3.1.2.4 Desenho final do circuito do pré-amplificador

A Figura 17 ilustra o aspecto final do esquema elétrico do

amplificador EC, adicionando-se os capacitores de acoplamento

e o capacitor de contorno.

Figura 17 – Esquema elétrico do pré-amplificador projetado.

36

3.2 Seguidor Unitário

Entre o pré-amplificador e o classe AB foi colocado um

seguidor unitário, utilizando o LM324, com o intuito de

isolamento do sinal de saída do pré-amplificador com a carga

(no caso, o amplificador classe AB). Importante mencionar que

o seguidor unitário não realiza casamento entre as

impedâncias.

3.3 Amplificador classe AB

Conforme já fora mencionado, amplificadores de grandes

sinais ou de potência fornecem, sobretudo, potência suficiente

a uma carga de saída a fim de acionar um alto-falante ou outro

dispositivo de potência.

37

3.3.1 Materiais e instrumentos

- 1 Transistor TIP 41

- 1 Transistor TIP 42

- 2 Capacitores eletrolíticos de 10 µF

- 1 resistor de 270 Ω

- 1 Potenciômetro de 1 kΩ

- 1 Potenciômetro de 100Ω

- 1 Diodo 1N 4148

- Multímetro

- Osciloscópio

- Gerador de sinais

3.4.2 Projeto do amplificador de áudio

Propõe-se o projeto de um amplificador classe AB para

acionar uma carga de 8 Ω, conforme a Figura 9, cuja

alimentação seja feita em 12 VCC. Para escolha do transistor,

deve-se comparar a corrente Ic_sat obtida na equação (15) e a

potência do transistor PD_transistor calculada pela equação (31) com

os valores Ic_máx e Pmáx contidos no datasheet.

38

PDtransistor=

VCC2

40.RL=

12240.8

=0,45mW(32

)

3.4.2.1 Polarização do amplificador classe AB

Inicialmente, deve-se calcular o valor de IC_sat utilizando a

equação (15).

ICsat=

VCC

2RL

=

1228

=0,75A

Conforme mencionado, a corrente no divisor de tensão (Ibias)

deve estar entre 1% e 5% da corrente de saturação no coletor

do transistor (IC_sat). Portanto, escolhe-se um valor médio de 3%

para o cálculo da corrente Ibias.

Ibias=3100

.ICsat=22,5mA

E, ainda, com a equação (16) calcula-se os valores dos

resistores (R) que irão compor o divisor de tensão.

R=VCC−(2.VBE)2.Ibias

=12−(2.0,7 )2.22,5.10−3 ≅235,55Ω

R = 270 Ω (valor

comercial)

3.4.2.2 Ganho de tensão

39

Assumindo o valor de IE aproximadamente igual ao valor de

IC no trasistor NPN, estima-se o valor de re’ (re'=25mv

Ie

¿. O

valor estimado é muito pequeno com relação ao valor da carga,

de forma que o ganho do circuito fica aproximadamente igual a

um.

3.4.3 Desenho final do circuito

A Figura 18 ilustra o aspecto final do esquema elétrico do

amplificador classe AB com polarização por divisor de tensão,

adicionando-se os capacitores de acoplamento.

Figura 18 Amplificador classe AB

40

A verificação do circuito, ou seja, a análise dos

parâmetros envolvidos será realizada no tópico dos resultados.

3.4.4 Ensaio dos transistores para determinação da curva IC

versus VBE

Visando o devido ajuste do amplificador classe AB, é

necessário conhecer as curvas IC versus VBE dos dois

transistores usados. A partir do circuito da Figura 19 é

possível traçar essas curvas. O valor limite para a corrente IC

utilizado é a corrente de polarização do transistor (Ibias).

41

Figura 19 – Esquemas de circuitos para o ensaio dos transistores (a) NPN e (b) PNP

IC=Ibias=22,5mA

IB=IC

β=0,45mA

RB+P=12−0,7IB

=25,11kΩ

Variando a corrente IC para ambos os transistores, a curva

foi obtida e foram escolhidos valores de operação de VBE = 0,5

V para cada um dos transistores (valor de operação longe da

saturação), de forma que a tensão entre ambos deve ser

ajustada para 1,0 V no circuito do amplificador classe AB.

42

3.5 Eficiência

A eficiência é obtida da razão entre a potência entregue à

carga RL e a potência solicitada pelo circuito para o seu

funcionamento (MALVINO; BATES, 2007). O cálculo inicia-se com

o valor da corrente de saturação no coletor ICsat através da

equação (33).

IAV=ICsat

π(33)

IAV=0,75π

=238,7mA

A corrente elétrica total solicitada pelo circuito do

amplificador é calculada pela equação abaixo.

ICC=Ibias+IAV=22,5mA+238,7mA=261,2mA

(34)

A potência que o amplificador necessita para sua operação écalculada pela equação dada abaixo:

PCC=ICC.VCC

(35)

PCC=261,2mA.12=3,13W

43

Considerando uma tensão Vpp =10V, que é esperada pois o

ganho do circuito é de 40v/v então a potência entregue a

carga é calculada pela equação (36).

Pout=VPP2

8.RL

(36)

Pout=1028x8=1,56W

Finalmente, a eficiência é calculada pela equação (37)

abaixo.

ɳ=PoutPCC

(37)

ɳ=1,563,13

=49,8%

3. Desenho do circuito completo

44

Na figura 20 é mostrado o circuito final com todos os

estágios envolvidos.

Figura 20 – Circuito final do amplificador desenvolvido

4 RESULTADOS

Incialmente a primeira dificuldade encontrada foi com a

polarização DC do amplificador classe AB. Para a realização

dessa polarização, o circuito da Figura 18 foi montado.

Ajustou-se o potenciômetro P1 para que a tensão entre o diodo

e esse potenciômetro fosse de aproximadamente 1,1 V, conforme

sugerido pelos valores de VBE encontrados no ensaio dos

transistores. Durante esse ajuste, alguns erros iniciais

provocaram forte aquecimento dos transistores. Contudo,

45

corrigindo os erros e realizando o ajuste corretamente,

encontramos os valores de tensão desejado de metade de VCC no

VCE em cada um dos transistores.

Posteriormente, o pré-amplificador foi desenvolvido. Um

sinal foi aplicado na entrada, via gerador de sinais, para

verificação do funcionamento do mesmo com os devidos aparelhos

de medição (multímetro e osciloscópio). E assim o circuito

apresentou o ganho de tensão para o qual ele fora projetado

Por fim, o circuito completo foi montado, adicionando o

seguidor unitário. Aplicou-se um sinal de 100 mV de pico na

entrada do pré-amplificador. Porém a onda no osciloscópio

apresentou uma grande distorção, devido ao ganho muito elevado

do circuito. Com esse resultado foram necessários ajustes no

circuito, tivemos que trocar alguns componentes, como por

exemplo, adicionar um potenciômetro no primeiro estagio para

melhorar o ganho e um potenciômetro no segundo estagio. Porém

esses ajustes ainda não foram o suficiente, foi então que

percebemos que o mau funcionamento do circuito devia – se ao

fato que de que o CI LM 324 não estava funcionando

normalmente, resolvemos então troca-lo por uma configuração de

emissor comum. Essa nova configuração não foi simulada e nem

apresentou calculo prévios, apenas foi testada na pratica

baseada nos conhecimento do professor que orientou o projeto.

Enfim, já com o alto-falante na saída do circuito, aplicou-se

um sinal de som de um mp4 r na entrada do circuito. O som do

alto-falante não apresentou ruídos, revelando a boa resposta

do amplificador projetado, mas o resultado poderia ter sido

46

melhor se a configuração emissor comum tivesse sido projetada

de maneira a ter metade de VCC no VCE do transistor.

Tabela 1 – Custo dos componentes do projeto

Componente Quantidade Custo Total

Resistor 11 R$ 3,00Capacitor 5 R$ 1,50TIP’s 2 R$ 4,00Diodo 1 R$ 0,30LM324 1 R$ 3,00

Potenciômetro 1 R$ 1,00Transistor BC548 1 R$ 0,80

Total - R$ 13,60

5 CONCLUSÃO

47

48

6 REFERÊNCIAS

BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e

teoria de circuitos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004,

672p.

MALVINO, A.; BATES, D. J. Eletrônica. São Paulo: McGraw Hill,

v.1, 2007, 672p.

MALVINO, A.; BATES, D. J. Eletrônica. São Paulo: McGraw Hill,

v.2, 2007, 556p.

SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. São Paulo: Pearson

Makron Books, 2007, 1270p.