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ficha prática n.º 41 práticas de eletricidade INTRODUÇÃO À ELETRÓNICA Manuel Teixeira ATEC – Academia de Formação Reatância capacitiva
Os transístores de junção bipolar são um dos componentes mais importantes da eletrónica analógica. Poderemos encontrá-los em várias aplicações como os amplificadores de sinais, amplificadores diferenciais ou drives de potência. Nesta edição vamos analisar amplificadores de um andar. 18. ANÁLISE DE AMPLIFICADORES DE UM ANDAR 18.1. Circuito de amplificação de base polarizada Após termos analisado o transístor em Corrente Contínua, análise essa referente ao ponto de funcionamento em repouso ou regime estático, passaremos a analisar a amplificação de tensão de um sinal alternado. A amplificação de tensão consiste em aplicar a um amplificador, convenientemente polarizado num ponto de funcionamento Q, um pequeno sinal (tensão) alternado. Começaremos o estudo da amplificação de tensão com um circuito de polarização de base fixa a que chamaremos amplificador de base polarizada.
C +
U
R
RC
RB
UCE UBE
FIGURA 120. CIRCUITO COM POLARIZAÇÃO DE BASE FIXA.
1 2.π.f.C
FIGURA 121. ANÁLISE DO CONDENSADOR EM CORRENTE ALTERNADA.
Como a reatância capacitiva do condensador é inversamente proporcional à frequência, o condensador bloqueia efetivamente a Corrente Contínua e deixa passar a Corrente Alternada. Quando a frequência for suficientemente alta a reatância capacitiva é muito menor do que a resistência, sendo assim, praticamente toda a tensão alternada da fonte chegará aos terminais da resistência R. Relativamente a uma tensão contínua, como a frequência é igual a zero, a reatância capacitiva de um condensador será infinita. Esquematicamente: Curto-circuito
C
C U
+
R
Corrente Contínua
Circuito aberto + UCC
XC =
Corrente Alternada
Circuito fechado
FIGURA 122. CONDENSADOR EM CORRENTE ALTERNADA E CONDENSADOR EM CORRENTE CONTÍNUA.
Este condensador é designado por condensador de acoplamento uma vez que faz o acoplamento ou transmissão do sinal alternado à resistência. Os condensadores de acoplamento são importantes já que permitem acoplar um sinal alternado num amplificador sem alteração do respetivo ponto de funcionamento. Para que o condensador de acoplamento realize a sua função de forma adequada, a sua reatância capacitiva à frequência mais baixa da fonte de tensão alternada deverá ser muito menor do que a resistência R. Analisemos um caso concreto: se a frequência da fonte alternada variar entre 20 Hz e 20 kHz, a pior situação será quando f = 20 Hz, assim dever-se-á escolher um condensador cuja reatância capacitiva a esta frequência seja muito menor do que a resistência.
18.2. Condensador de acoplamento Para introduzir um sinal alternado no circuito da Figura 120, há que ter em consideração que não podemos alterar o ponto de funcionamento predefinido. Para tal, teremos de utilizar um componente eletrónico que consiga bloquear a Corrente Contínua, de forma a esta não ser alterada, e introduza o sinal alternado a ser amplificado. Analisado no Capítulo de Corrente Contínua o condensador desempenhava esta função. Assim passaremos a analisar o circuito da Figura 121 composto por uma fonte de tensão alternada ligada a um condensador e a uma resistência. www.oelectricista.pt o electricista 51
REGRA É considerado um acoplamento adequado quando à frequência mais baixa da fonte de sinal alternado se verifique: XC ≤ 0,1.R A reatância capacitiva deverá ser, no máximo, 10 vezes menor do que a resistência R.
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Uma vez que, este condensador constitui um circuito aberto para a Corrente Contínua, a tensão contínua de coletor não sofrerá alteração, já que não passará para a resistência e RCarga. A tensão alternada da fonte é de 100 mV, como o condensador de acoplamento representa um curto-circuito para a Corrente Alternada, a tensão da fonte de sinal surgirá entre a base e a massa. Esta tensão produz uma Corrente Alternada de base que se irá adicionar à Corrente Contínua já existente na base. Por outras palavras, a corrente de base possui uma componente contínua e uma componente alternada.
UC Tensão alternada de coletor uc
Tensão contínua de coletor UCQ = 15 V
t
IB = IBQ + ib
FIGURA 126. COMPONENTE CONTÍNUA E COMPONENTE ALTERNADA DA TENSÃO DE COLETOR.
onde : IB corrente total de base IBQ Corrente Contínua de base (o índice Q refere-se ao ponto de funcionamento Q) ib Corrente Alternada de base A Figura 124 ilustra este conceito. Aí encontra-se uma componente alternada, originada pela fonte de tensão alternada, e uma componente contínua, proveniente do ponto de funcionamento Q e com o valor anteriormente calculado de 30 mA. A Corrente Alternada de base adiciona-se à Corrente Contínua de base durante a alternância positiva e subtrai-se na alternância negativa. IB Corrente Alternada de base ib
Pela visualização da Figura 126 verifica-se a tensão alternada do coletor invertida, ou por outras palavras, está desfasada de 180º em relação à tensão de entrada. Isto verifica-se porque durante a alternância positiva da corrente de base, cresce a Corrente Alternada de coletor, o que origina mais tensão aos terminais da resistência de coletor, logo a tensão entre o coletor e a massa ou emissor, uma vez que este se encontra ligado à massa, será menor. Analogamente, na alternância negativa, decresce a corrente de coletor, como haverá menos tensão nos terminais de RC, aumentará assim a tensão de coletor. A saída de um amplificador em emissor comum está desfasada de 180º em relação à entrada. A Figura 127 apresenta as diversas formas de onda das tensões no amplificador de base polarizada.
Corrente Contínua de base
UCC= 30 V
IBQ = 30 μA RB = 1 MΩ
RC = 5 KΩ
0V
0V t
FIGURA 124. COMPONENTE CONTÍNUA E COMPONENTE ALTERNADA DA CORRENTE DE
100 μV
C
0.7 V
15 V
C RCarga = 100 KΩ
BASE.
FIGURA 127. FORMAS DE ONDA DAS TENSÕES NO AMPLIFICADOR DE BASE POLARIZADA.
A Corrente Alternada de base produz uma variação amplificada na corrente do coletor devido ao ganho de corrente. Na Figura 125 a corrente do coletor tem uma componente contínua de 3 mA, sobreposta a esta corrente está a Corrente Alternada de coletor.
1. Qual a função do condensador de acoplamento? 2. Quais os parâmetros do ponto de funcionamento Q a ter em conta para uma amplificação AC?
IC Corrente Alternada de coletor ic
Corrente Contínua de coletor ICQ = 3 mA
Solução do teste de conhecimentos da revista n.º 50
t FIGURA 125. COMPONENTE CONTÍNUA E COMPONENTE ALTERNADA DA CORRENTE DE COLETOR.
Dado que a corrente de coletor percorre a resistência deste terminal RC origina uma tensão alternada aos terminais desta. Se esta tensão for subtraída à tensão de alimentação UCC obteremos a tensão de coletor em relação à massa, esta será a tensão de saída para o condensador de acoplamento. Da mesma forma, a tensão de coletor terá uma componente contínua e uma componente alternada. www.oelectricista.pt o electricista 51
Teste de conhecimentos n.º 18
1. A semelhança do sinal de saída com o sinal de entrada é designado por fidelidade. 2. Existem 4 fatores que podem deteriorar a fidelidade: · O sinal de entrada ser muito grande; · O ponto de funcionamento do circuito não estar correto; · A carga não estar adaptada ao circuito; · A caraterística de entrada não ser linear.
Bibliografia do artigo Malvino (2000). Princípios de Eletrónica (Vol. 1 e 2). McGraw-Hill (Sexta edição)