Calculando etapas classe A com transistores (M045)

Neste artigo damos o procedimento básico para o cálculo de resistores de polarização de etapas amplificadoras com transistores bipolares em operação na classe A. Os leitores que projetam, estudam ou ainda precisam reciclar seus conhecimentos podem ter neste artigo informações bastante úteis para seus trabalhos com transistores bipolares.

 

Para que os transistores operem como amplificadores, é preciso que seus diversos eletrodos (emissor, coletor e base) sejam devidamente polarizados, ou seja, submetidos a determinadas tensões que provoquem as circulações de determinadas correntes.

O modo como um transistor é polarizado vai determinar a modalidade de operação ou classe.

No gráfico da figura 1 mostramos o que ocorre com o sinal amplificado em cada uma das classes mais comuns de operação de um transistor (o mesmo é válido para outros componentes ativos, como FETs, válvulas, etc.).

 

 

 

Observe que na operação em classe A, que nos interessa especificamente neste artigo, os dois semiciclos do sinal alternado são amplificados igualmente não havendo nem corte e nem distorção, o que não ocorre, por exemplo na classe AB em que parte do semiciclo negativo é cortada.

Para levar uma etapa transistorizada a operação em classe A, existem procedimentos de cálculos que permitem determinar os resistores de polarização.

Estes procedimentos levam em conta as características do transistor usado, do sinal a ser amplificado (cuja amplitude na saída não deve exceder a tensão de alimentação) e da tensão de alimentação usada.

 

 

OS CÁLCULOS

Tomemos como ponto de partida a configuração classe A com um transistor bipolar de silício NPN de uso geral como a mostrada na figura 2.

 

 

Lembramos que os procedimentos de cálculo que damos não são os únicos podendo existir variações e até mesmo processos mais precisos que fazem uso dos parâmetros híbridos. Na verdade, este procedimento é denominado "empírico" já que faz uso de algumas aproximações que visam antes simplificar os cálculos evitando o uso de matemática avançada ou de cálculos muito trabalhosos.

 

a)Determine o Vce, Ic e o hFE mínimo e máximo do transistor que se pretende usar.

O Vce é a tensão máxima entre coletor e emissor. No nosso caso vamos tomar como exemplo um transistor de uso geral como o BC548 onde esta tensão é de 30 V. Para este transistor o ganho mínimo hFE min é 110 e o máximo 800. A corrente máxima de emissor é de 100 mA. No entanto, não vamos usar no nosso projeto esta corrente, já que pretendemos amplificar sinais de pequena intensidade. Vamos assumir que a corrente de repouso que desejamos para a etapa seja de 10 mA.

 

Temos então:

Vce = 30 V

Ic = 0,01 mA

hFE(min) = 110

hFE(max) = 800

 

b)O passo seguinte consiste em se selecionar a tensão de alimentação da etapa amplificadora. No nosso caso fazemos:

Vcc - 12 V

 

c)Na terceira etapa do processo de cálculo vamos fixar a tensão entre base e terra do circuito em aproximadamente 5 vezes a queda de tensão típica entre base e emissor do transistor considerado.

 

Para os transistores de silício, a queda de tensão entre base e emissor é de aproximadamente 0,7 volts, conforme mostra a figura 3.

 

 

Isso significa que vamos fixar a tensão Vbb em 5 x 0,7 = 3,5 V.

Vbb = 3,5 V

 

d)Podemos agora calcular o resistor de emissor Re com os dados obtidos, aplicando a fórmula:

 

 

e)O passo seguinte consiste no cálculo do resistor de coletor Rc.

 

Para o cálculo desta expressão o ideal seria usar em lugar de Ic a corrente Ie (corrente de emissor). Na prática, Ic e Ic costumar ter valores muito próximos o que quer dizer que a troca de uma por outra não afeta em muito os resultados.

 

Da mesma forma Vce é a tensão entre coletor e emissor. Na operação em classe A o transistor opera no centro da reta de carga, conforme mostra a figura 4, o que significa que a tensão no coletor do transistor é aproximadamente metade da tensão de alimentação.

 

 

Para esta finalidade vamos utilizar a expressão:

 

 

f)Passamos agora ao cálculo da corrente máxima de base que precisamos nesta etapa. Isso é feito pela seguinte fórmula:

 

 

g)Adotamos para a corrente circulante por R2 algo em torno de 5 vezes a corrente máxima de base que o transistor exige e que foi calculada no passo anterior. Chamaremos esta corrente de I2.

I2 = 500 uA ou 0,0005 A

 

h)Com o valor adotado de I2 podemos então determinar a resistência de R2 no circuito de polarização de base do transistor usando a seguinte fórmula:

 

 

i)Agora é a vez de calcular R1 lembrando que por este resistor vai passar a corrente de R2 e também a corrente máxima de base do transistor:

 

 

j)Em função dos valores calculados podemos escolher os valores comerciais dos resistores a serem usados chegando então ao circuito final da figura 5.

 

 

SIMULANDO

A forma de onda obtida na saída do circuito simulado no Electronics Workbench (*) é mostrada na figura 6.

 

 

Na figura 7 temos o circuito completo da etapa simulado no Electronics Workbench aplicando-se um sinal na entrada e observando-se o sinal de saída. Trabalhamos com um sinal de entrada de 100 uV x 1 kHz e colocamos no circuito os capacitores de acoplamento tanto de entrada como de saída de 100 nF e o de desacoplamento de emissor de 4,7 uF.

 

 

 

CONCLUSÃO

Se agora usando os valores dos resistores comerciais usados podemos constatar que as correntes podem apresentar uma variação de até 15% dos valores previamente calculados. Isso entretanto não afetará o funcionamento geral da etapa.

 

(*) O artigo foi escrito no ano 2000, quando o programa utilizado era o EWB. Agora temos o Multisim, que pode servir de base para os leitores que desejarem fazer uma simulação atual.

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