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EletrônicaEletrônica básica - Teoria

Amplificador em emissor comum

Amplificador em emissor comum

Amplificador em emissor comum © SENAI-SP, 2003

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila homônima Amplificador em emissor comum - Teoria. SENAI - DN, RJ, 1986.

CapaGilvan Lima da Silva DigitalizaçãoUNICOM - Terceirização de Serviços Ltda

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Amplificador em emissor comum

Sumário

Introdução 5 Amplificação de sinais elétricos7 Estágio amplificador em emissor comum15 Acoplamento do sinal25 Referências bibliográfica 35

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Introdução

Este é mais um marco importante no aprendizado de eletrônica básica. Inicia-se, a partir desta unidade, um estudo dos circuitos amplificadores simples.

O estudo dos amplificadores é, sem dúvida, fascinante. A partir da compreensão dos amplificadores abre-se um novo horizonte, muito mais amplo, aos profissionais de eletrônica, tendo em vista que a grande maioria dos equipamentos eletrônicos usa estes circuitos.

A ampla utilização, por si só, é suficiente para justificar a dedicação toda especial que o assunto merece.

Adiante, então, rumo aos novos horizontes que se apresentam.

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Amplificação de sinais elétricos

Denomina-se de sinal elétrico a qualquer variação de tensão ou corrente através da qual se conduz uma informação.

O sinal de televisão, por exemplo, se constitui em variações de tensão que são uma “versão elétrica” das imagens captadas pela câmera.

Os sinais elétricos podem se apresentar como variações puras de tensão ou corrente ou como variações sobre um nível de tensão ou corrente contínua.

Sinal → variação pura de tensão ou corrente

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Sinal → variação sobre um nível de tensão C

A música, reproduzida por um alto-falante, por exemplo, nada mais é do que um sinal elétrico transformado em som pelo alto-falante.

Sinais elétricos são variações de tensão ou corrente que conduzem uma informação.

Dependendo da aplicação a que se destinam os sinais elétricos podem ser de grande e pequena intensidade.

Por exemplo: Para movimentar os alto-falantes de um estádio de futebol necessita-se que o sinal elétrico a ser reproduzido tenha uma grande intensidade, enquanto que para movimentar os fones de um gravador (ou headfone) é suficiente um sinal de pequena intensidade.

Existe um processo através do qual um sinal elétrico de pequena intensidade, pode ser transformado em um sinal elétrico de grande intensidade. Este processo é denominado de amplificação.

Amplificação é um processo que visa aumentar a intensidade (amplitude) de um sinal elétrico sem alterar a sua freqüência e, na maioria dos casos, sem alterar a sua forma.

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A figura abaixo exemplifica o que acontece com um sinal elétrico ao ser amplificado.

A amplificação possibilita, por exemplo que o pequeno sinal elétrico produzido por uma agulha de toca-disco (alguns milivolts) seja reproduzido em um alto-falante.

Outro exemplo de aplicação da amplificação é a sonorização de um auditório. A amplificação da voz de um orador, através de um equipamento amplificador, permite que todas as pessoas do ambiente possam ouvi-lo naturalmente.

Amplificador e estágio amplificador

O termo “amplificador” define todo um conjunto de componentes e circuitos que realizam a amplificação de um sinal.

Um amplificador e toca-disco, por exemplo, se compõe de uma série de pequenos circuitos que, no conjunto, amplificam o sinal da agulha mais de 1000 vezes para que o alto-falante possa funcionar.

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Amplificações de sinal da ordem de 1000 ou 2000 vezes são empregadas constantemente em circuitos de rádio, televisão e controles industriais.

Entretanto, devido a uma limitação prática, não é possível amplificar um sinal 1000 ou 2000 vezes diretamente. A amplificação é feita parceladamente, através de uma série de circuitos que realizam amplificações sucessivas sobre o sinal.

Cada um dos circuitos que realiza uma parcela da amplificação total é denominado de estágio amplificador.

Conclui-se então que: Um amplificador se compõe de diversos estágios amplificadores.

Observação Os estágios amplificadores fazem parte da grande maioria dos circuitos eletrônicos.

Ganho de um estágio amplificador

O ganho de um estágio amplificador define quantas vezes o sinal é amplificado por este estágio. É uma relação direta entre o sinal presente na saída do estágio e o sinal amplificado à sua entrada.

Ganho → G = entrada de sinal saída de sinal

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Assim, se o sinal na saída de um estágio amplificador tem a amplitude duas vezes maior que o sinal da entrada, diz-se que o ganho do estágio é 2.

G = 2 2Vpp

4Vpp =

O ganho dos estágios amplificadores pode ser determinado pela medição do sinal de saída e entrada com o osciloscópio.

Normalmente o ganho dos estágios amplificadores está na faixa 10 a 50 vezes. O termo “ganho” é genérico, podendo expressar uma amplificação de potência.

saídaV saídaI

Tipos de estágios amplificadores

Os estágios amplificadores podem ser de três tipos: • Estágio amplificador de tensão

• Estágio amplificador de corrente

• Estágio amplificador de potência para saída

Estágio amplificador de tensão É um estágio destinado a aumentar a amplitude de tensão dos sinais aplicados a sua entrada. Recebem tensões da ordem de microvolts ou milivolts, propiciando alto ganho na saída (normalmente até 100 vezes).

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Os estágios amplificadores de tensão funcionam como correntes pequenas de forma que não podem ser usados para acionar, por exemplo, um alto-falante que necessita de corrente mais elevadas.

Estágio amplificador de corrente São estágios que se destinam a fornecer grandes variações de corrente na saída a partir de pequenas variações de corrente aplicadas à entrada.

Estágio amplificador de potência para saída São estágios amplificadores com pequeno ganho de tensão (2 a 5 vezes) mas que propiciam também um ganho de corrente.

São destinados ao acionamento das cargas (alto-falantes, relés, etc) porque têm capacidade de corrente suficiente para operá-las.

O ganho dos estágios de potência é normalmente definido em termos de potência:

G (Potência) = entrada de Potência saída de Potência

Os estágios de potência são capazes de desenvolver sobre a carga potências de muitos watts recebendo na sua entrada apenas alguns miliwatts.

Observação Devido ao pequeno ganho de tensão os estágios amplificadores de potência necessitam de grandes variações de tensão na entrada para fornecer um ganho de potência adequado.

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O amplificador de som

Os amplificadores de som são uma composição de estágios amplificadores de tensão e um estágio de potência para saída.

Os estágios amplificadores de tensão tem por finalidade amplificar o sinal de entrada até que as variações de tensão sejam suficientes para que o amplificador de potência funcione com o máximo rendimento, sendo denominado de pré-amplificadores.

O estágio de potência recebe as tensões amplificadas e propicia a potência necessária (tensão e corrente) para a movimentação do alto-falante.

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Estágio amplificador em emissor comum

É um tipo de circuito amplificador de sinais que proporciona alto ganho de tensão e de corrente empregando um transistor ligado em configuração de emissor comum.

Os estágios amplificadores com transistor com transistor em emissor comum são os mais empregados na amplificação de sinais devido ao fato de apresentarem alto ganho de tensão e de corrente, o que resulta em um ganho de potência elevado.

Princípio de funcionamento

O princípio de funcionamento dos estágios amplificadores baseia-se na mudança do ponto de operação do transistor.

O funcionamento do estágio amplificador pode ser dividido em três condições: • Sem sinal de entrada

• Com sinal de entrada positivo

• Com sinal de entrada negativo

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As três condições podem ser analisadas tomando como base o estágio amplificador em emissor comum apresentado na figura abaixo.

Sem sinal de entrada Quando o estágio amplificador não recebe sinal na entrada, o transistor se mantém no ponto de funcionamento.

Com sinal de entrada positivo Um sinal de entrada é positivo quando a corrente aplicada circula no mesmo sentido da corrente de polarização, somando-se a esta.

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Onde: BI=Corrente de base

BQI=Corrente de polarização de base

SI=Corrente de sinal

Tomando como exemplo um sinal positivo de 50µA aplicado ao circuito tem-se o que é mostrado na figura abaixo.

A mudança na corrente de base (↑B I) provoca alteração na corrente de coletor

(BI↑↑CI), na queda de tensão do resistor de coletor (↑CI Ö ↑RCV) e na tensão de coletor-emissor (↑RCVÖ ↓CE V ).

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Através da curva característica com a reta de carga (220Ω) pode se determinar graficamente o comportamento do transistor com o aumento da corrente de base.

Resumindo Amplificador em emissor comum com sinal de entrada positivo:

Com sinal de entrada negativo Um sinal de entrada é negativo quando a corrente aplicada circula em sentido oposto a corrente de polarização. Logo:

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Considerando-se como exemplo um sinal negativo de 50µA tem-se o apresentado na figura abaixo.

A mudança na corrente de base (↓B I) provoca modificações na corrente de coletor

I), na queda de tensão do resistor de coletor (↓C I Ö ↓RC

V) e na tensão coletor-emissor ( ↓RC V Ö ↑CE

Determina-se os limites através da curva característica com a reta de carga.

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Resumindo Amplificador em emissor comum com sinal de entrada negativo:

A partir das conclusões assinaladas, pode-se analisar o comportamento do estágio amplificador em emissor comum com um sinal de entrada senoidal.

Considerando que o sinal aplicado seja uma variação senoidal de tensão, tem-se uma variação senoidal de corrente conforme a figura abaixo.

No semi ciclo em que o sinal de entrada é positivo tem-se:

↑B I ↑CI↑RCV↑CI acompanhando a forma senoidal do sinal de entrada.

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No semi ciclo em que o sinal de entrada é negativo tem-se:

↓BI ↓CI ↓RCV ↑CE V acompanhando a forma senoidal do sinal de entrada

Os valores reais de corrente e tensões podem ser obtidos aplicando o sinal de entrada sobre as curvas do transistor.

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Projetando os pontos A, B e C na vertical e horizontal se obtém as variações de tensão e corrente resultantes no circuito de coletor.

A figura abaixo mostra um ciclo completo do sinal de entrada e as formas de saída da corrente de coletor e tensão coletor-emissor (CEV = saídaV) colocados em gráficos sincronizados.

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Através da análise dos três gráficos verifica-se: • As variações da corrente de coletor são uma versão amplificada (muitas vezes maior e em fase com as variações da corrente de sinal.

• As variações da tensão de coletor (saídaV) são uma versão amplificada e defasada (180º) da tensão de sinal.

Conclusão No amplificador em emissor comum • As variações da corrente de coletor estão em fase com o sinal de entrada.

• As variações da tensão de saída (CEV) estão defasadas 180º (invertidas) em relação ao sinal de entrada.

• As variações de corrente de coletor a tensão de saída são versões amplificadas do sinal de entrada.

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Acoplamento do sinal Um sinal pode ser puro ou acompanhado por um nível de tensão C.

Sinal puro

Sinal com nível de C

No caso dos amplificadores interessa apenas amplificar as variações de tensão e corrente (sinal puro ou apenas a variação sobre o nível C).

Se o sinal a ser amplificado está acompanhado por um nível C é necessário eliminar esta componente C para que não interfira nas tensões de polarização.

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Isto pode ser feito através de capacitores ou transformadores que não transferem o nível C fixo mas permitem a “passagem” das variações.

Os estágios amplificadores sempre possuem um capacitor ou transformador de entrada e outro de saída, de forma que o circuito amplificador propriamente dito receba apenas as variações de tensão ou corrente e entregue também apenas versões amplificadas destas variações.

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Nos estágios amplificadores transistorizados para audio-freqüências (20Hz a 20KHz) os capacitores de entrada e saída são, geralmente, eletrolíticos.

Assim, pode-se dizer que o circuito amplificador de sinais na configuração de emissor comum se compõe fundamentalmente de dois grupos de elementos: • Elementos de polarização

• Elementos para aplicação e retirada de sinais

Os elementos de polarização são aqueles que tem por finalidade estabelecer o ponto de funcionamento do transistor (resistor de coletor, resistores de base, resistor de emissor).

Os elementos de entrada e saída de sinal são denominados de “acopladores” e são os capacitores ou transformadores de entrada e saída.

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As figuras abaixo mostram dois estágios amplificadores completos, indicando os elementos polarizadores e acopladores.

* polarizadores∆ acopladores

Desacoplamento do emissor

Nos estágios amplificadores em que o emissor está conectado diretamente ao terra, como os mostrados nas figuras abaixo, o ganho é elevado, geralmente maior que 50.

Como desvantagem este tipo de circuito tem baixa estabilidade térmica, sendo adequado para estágios iniciais não sujeitos a variações de temperaturas muito amplas.

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Nota 1 Nos estágios polarizados por divisor de tensão a estabilidade térmica pode ser melhorada acrescentando-se um resistor de emissor ao circuito.

Por outro lado, o resistor de emissor incluindo no circuito reduz sensivelmente o seu ganho, que passa a se situar tipicamente próximo a 10.

Nota 2 O resistor de emissor colocado em um estágio amplificador polarizado por divisor de tensão aumenta a estabilidade térmica mas reduz o seu ganho. Entretanto, acrescentando-se ao circuito um capacitor em paralelo com o resistor de emissor, denominado de capacitor de desacoplamento se obtém um estágio termicamente estável e com ganho elevado.

Se o capacitor conectado em paralelo com o resistor de emissor tiver uma reatância muito baixa, poderá ser considerado como um curto circuito, toda a vez que o transistor amplificar um sinal.

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