Amplificadores de Potência de RF (TEL240)

Outros artigos deste site tratam do mesmo tema, porém tendo sido escritos em épocas diferentes. Este é de uma publicação nossa que saiu em 1992, mas ainda é atual pela teoria básica que apresenta. As novas tecnologias, evidentemente não foram incluídas.

Transmissores simples, de pequena e média potência podem ser feitos utilizando-se simplesmente um oscilador para gerar o sinal que será modulado e jogado na antena. No entanto, se precisarmos de mais potência do que aquela que o oscilador usado fornece a única saída é amplificar o sinal de alta frequência.

Uma ou mais etapas amplificadoras podem ser usadas nos transmissores mais elaborados, algumas das quais cumprindo função dupla. Por exemplo, além de amplificar o sinal uma etapa também pode ser usada para dobrar a frequência de um sinal. Desta forma, podemos ter um transmissor como o da figura 1, em que o sinal gerado é de 20 MHz, mas depois de amplificar e dobrar sua frequência duas vezes, a transmissão ocorre em 80 MHz.

 

Figura 1
Figura 1

 

As configurações usadas nas etapas amplificadoras dependem da potência desejada e da frequência de operação havendo diversas possibilidades que estudaremos a seguir.

E interessante observar que potências muito altas, da ordem de milhares de watts ainda são melhor obtidas por meio de válvulas. Assim, nos grandes transmissores de estações potentes é comum termos as etapas de oscilação e amplificação inicial com transistores, mas as etapas finais com enormes válvulas transmissoras como a mostrada na figura 2 que é refrigerada por meio de água que circula em suas aletas.

 


 

 

 

1. Etapa em classe A

Os transistores, assim como as válvulas podem ser polarizados em diversas classes. Estas classes, conforme mostra a figura 3 são determinadas pelas correntes de repouso e pela polarização.

 

Figura 3
Figura 3

 

 

O rendimento depende da classe, mas ao mesmo tempo em que aumentamos o rendimento para uma configuração, começam a aparecer outras características que podem ser indesejáveis em determinadas aplicações. Por exemplo,quando aumentamos o rendimento, aumenta a distorção do sinal e com isso aumenta a tendência de aparecerem oscilações harmônicas.

Na Classe A o transistor é polarizado de modo a haver certa corrente de coletor. Em função desta corrente a tensão de coletor se mantém em aproximadamente metade da tensão da alimentação.

Desta forma, aplicando-se na sua base um sinal senoidal, o transistor amplifica os dois semiciclos que fazem com que a tensão no coletor oscile entre o máximo e mínimo que se pretende como amplificação final.

Conforme mostra a figura 4 nesta configuração o transistor amplifica o ciclo completo do sinal.

 

Figura 4
Figura 4

 

 

O rendimento desta etapa não é dos maiores, mas em compensação temos pouca distorção e o fato de ampliarmos os dois semiciclos com um mesmo transistor cria um sinal com um mínimo de harmônicas.

Um circuito prático que pode ser usado num pequeno amplificador de AM é mostrado na figura 5.

 

Figura 5
Figura 5

 

No entanto, o fato de usarmos um transistor na configuração de emissor comum traz alguns inconvenientes. Um deles é que a capacitância entre a base e o emissor do transistor influi bastante no seu desempenho. A velocidade de operação é limitada e este circuito com transistores comuns não pode ser empregado em frequências além de alguns megahertz.

 

2. Acoplamentos

Um problema importante .que ocorre quando usamos etapas de amplificação num circuito é o que envolve a maneira como transferimos o sinal de uma para outra.

O rendimento nesta transferência é muito importante, mas também a disponibilidade de componentes e a própria produção de oscilações indesejáveis.

Temos diversas técnicas para fazer esta transferência.

A primeira é mostrada na figura 6 e consiste no conhecido acoplamento RC.

 

Figura 6
Figura 6

 

O rendimento desta forma de acoplamento é pequeno, já que normalmente a impedância de saída da etapa anterior é bem diferente da impedância de entrada da etapa seguinte.

Assim, este circuito não é dos mais usados, dando-se preferência a formas de maior rendimento mesmo que tenham de ser usados mais componentes.

Temos então uma variação de maior rendimento que é mostrada na figura 7.

 

Figura 7
Figura 7

 

Neste circuito LC a bobina oferece uma impedância muito alta na frequência do sinal amplificado, facilitando assim sua transferência para a etapa seguinte.

A bobina deve então ser escolhida de modo a ter uma impedância muito alta na frequência do sinal que se deseja amplificar.

Valores típicos de indutância para esta função são:

10 mH - 500 kHz a 2 MHz

2 mH-2MHz a10 MHz

1 mH - 10 MHz a30 MHz

500 uH - 30 MHz a 80 MHz

100 uH - 80 MHz a 200 MHz

O fio usado nestas bobinas deve ter espessura compatível com a corrente que se tem no transistor usado.

Uma forma muito melhor de termos o acoplamento de uma etapa para outra é com a ajuda de um circuito sintonizado conforme mostra a figura 8.

 

Figura 8
Figura 8

 

Na frequência em que o circuito é sintonizado, a impedância é muito alta, garantindo-se a transferência do sinal para a etapa seguinte com um bom rendimento. No entanto, este circuito ainda não tem o máximo de rendimento possível, pois ainda não ocorre o casamento ideal entre as etapas. A impedância de saída da etapa anterior é alta mas a impedância de entrada da seguinte é menor e aí temos perdas.

O melhor meio e o mais usado de conseguirmos uma transferência de energia de uma etapa para outra é através de um acoplamento por meio de transformador com pelo menos um enrolamento sintonizado, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9
Figura 9

 

Além do isolamento melhor que o sistema oferece, já que não temos a passagem direta de sinal de uma etapa para outra é possível dimensionar os enrolamentos de modo que cada qual tenha a impedância correspondente a etapa onde está ligado.

Assim, normalmente o que se faz é usar o enrolamento primário em paralelo com um capacitor, formando assim um circuito sintonizado na frequência que se deseja transferir.

O enrolamento secundário, normalmente com menos espiras, pois sua impedância deve ser menor, não é sintonizado e está ligado a entrada da etapa seguinte, ou seja, a etapa amplificadora.

O rendimento desta etapa é muito melhor do que o das outras e por isso esta configuração é das mais usadas.

 

3. Amplificador Classe C

Nesta modalidade de circuito, o transistor trabalha no corte, sendo polarizado pelo próprio sinal que deve ser amplificado. Assim, conforme mostra a figura 10, a corrente de coletor do transistor em repouso é praticamente nula.

 

Figura 10
Figura 10

 

Nos semiciclos negativos do sinal, induzidos pelo secundário do transformador, não temos a polarização do transistor no sentido de conduzir.

O transistor permanece cortado e nada ocorre. O transistor não amplifica estes semiciclos que são cortados.

Nos semiciclos positivos o transistor vai a saturação e ocorre a condução com a amplificação do sinal.

Este circuito amplifica apenas os semiciclos positivos, produzindo assim uma certa distorção na saída, que é responsável por muitas harmônicas, conforme mostra a figura 11.

 

Figura 11
Figura 11

 

Se usarmos na saída desta etapa um segundo circuito sintonizado ocorrem oscilações amortecidas que preenchem o intervalo em que o transistor está cortado e o sinal passa a ter uma forma como a mostrada na figura 12.

 

Figura 12
Figura 12

 

O rendimento desta etapa é alto já que só temos corrente no coletor do transistor com sinal, mas existe o problema da quantidade de sinais espúrios que são gerados juntamente com a frequência amplificada.

Uma variação que permite amplificar os dois semicicios do sinal com maior rendimento faz uso de dois transistores em contrafase, conforme mostrado na figura 13.

 

Figura 13
Figura 13

 

Neste Circuito, cada transistor amplifica metade do sinal. Para isso, o enrolamento secundário do transformador de acoplamento da etapa anterior possui uma derivação. Isso significa que na metade inferior desta derivação o sinal tem fase oposta ao da derivação anterior.

Num semiciclo um transistor está no corte e outro na saturação, invertendo-se a situação no outro semiciclo.

Como carga os dois transistores possuem um enrolamento também com derivação, de modo que o sinal amplificado aparece todo neste elemento. Para transferir o sinal para a etapa seguinte usamos um segundo enrolamento.

A eficiência deste circuito e muito grande o que o faz preferido nos circuitos de transmissores em que se exige uma potência elevada.

Transistores modernos permitem a operação deste tipo de circuito em frequência de até perto de 100 MHz e mesmo pouco mais.

A mesma configuração pode ser encontrada em circuitos com válvulas conforme mostra a figura 14.

 

Figura 14
Figura 14

 

Observe que as válvulas exigem uma tensão muito mais alta de alimentação o que significa um tipo diferente de fonte.

Tanto nesta etapa como na classe C temos ainda a possibilidade de operar com a multiplicação da frequência.

Se o circuito amplificador for sintonizado no dobro da frequência do que o excita, temos um comportamento interessante que deve ser levado em conta.

Excitando o circuito com um sinal de frequência X, o transistor produz na bobina de carga, também sintonizada, um pulso, conforme mostra a figura 15.

 

Figura 15
Figura 15

 

No entanto, o circuito sintonizado na carga terá o dobro da frequência.

Assim, o que este pulso faz é levar o circuito sintonizado a uma oscilação forçada no dobro da frequência que então aparece amplificada. O resultado é que na saída, além da amplificação temos um sinal com o dobro da frequência original de entrada.

 

4. Configurações em base comum

Na configuração de emissor comum, como as que vimos até agora, o transistor tende a ser lento, pois aparece o efeito de suas capacitâncias internas Este efeito pode ser minimizado na configuração de base comum que é mostrada na figura 16.

 

Figura 16
Figura 16

 

Este circuito é muito mais interessante para aplicações em altas frequências, acima de 50 MHz, por exemplo, onde os efeitos destas capacitâncias são maiores e eventualmente podem ser usados transistores que as tenham reduzidas.

O circuito equivalente para válvulas triodos e a configuração de grade comum é mostrada na figura 17.

 

Figura 17
Figura 17

 

Estes circuitos são usados em amplificadores para a faixa de VHF e UHF onde devem ser mínimas as capacitâncias parasitas.

 

5. Circuitos práticos

Diversos são os circuitos de amplificadores que podem ser usados em. transmissores experimentais. Alguns transistores comuns e de baixo custo se prestam para aplicações como amplificadores em transmissores de AM, FM a VHF, mas cuidado, pois estes transistores devem ser de alta qualidade e boa procedência párea que se obtenham os resultados esperados.

Dentre os transistores que destacamos para as aplicações em RF destacamos os seguintes:

BF494 - este é um transistor de muito baixa potência, mas dois em push-pull podem fornecer algumas dezenas de milliwatts, o que num transmissor de FM é suficiente para alcançar mais de um quilômetro.

2N2222 - Um pouco mais potente que o BF494 este transistor é ainda de pequena potência, mas numa etapa em push-pull ou mesmo simples pode fornecer uma saída suficiente para um alcance de mais de 1 quilômetro na faixa de FM ou VHF.

2N1711 - este é um transistor de média potência que opera até na faixa de VHF e pode chegar a uma saída em torno de 1 W num amplificador. Com isso temos o alcance da ordem de alguns quilômetros com uma boa antena externa.

2N2218 - Como o 2N1711 este transistor tem uma potência de 800 mW de dissipação com uma corrente de coletor de IA podendo funcionar até a faixa de VHF. Com uma etapa em push-pull podemos ter mais de 1 watt de saída o que resulta num transmissor de mais de 5 quilômetros de alcance.

2N3866 - Este é um transistor ideal para transmissores com até perto de 4 watts de potência para a faixa de FM, resultando em transmissores com mais de 10 quilômetros de alcance.

BD135 - Se bem que seja um transistor de áudio, a alta frequência de transição do transistor permite seu uso como amplificador com razoável rendimento em transmissores até a faixa de FM. Teremos uma (potência de perto de 1 watt o que resulta num excelente alcance. Dois eles podem ser ligados em push-pull para um transmissor com vários quilômetros de alcance.

Na figura 18 temos a pinagem e os invólucros destes transistores para os leitores que desejarem fazer seu uso em projetos.

 

Figura 18
Figura 18

 

 

Para frequências mais baixas, na faixa de ondas médias e curtas, transistores comuns de potência com uma frequência de corte relativamente alta podem ser usados em muitos casos. Dentre estes transistores citamos os seguintes:

2N3055 - até 500 kHz

TIP31 - até 10 MHz

TIP41- até 10 MHz

Damos em seguida alguns circuitos amplificadores simples que o leitor pode usar em seus projetos de transmissores.

 

Amplificador 1

Esta simples etapa pode servir como base para projetos de transmissores de FM de média potência (até 1 quilômetro) usando um par de transistores BF494 em push-pull com alimentação de 6 ou 9 Volts. O circuito completo é mostrado na figura 19.

 

Figura 19
Figura 19

 

O sinal para excitação deve ter pelo menos 30 mW de intensidade e pode vir de um oscilador com os mesmos transistores.

A bobina L1 consta de 3 + 3 espiras de fio 22 a 26 AWG sobre a osciladora da etapa anterior. A bobina L2 consta de 4 + 4 espiras do mesmo fio com diâmetro de 1 cm. A bobina de saída consta de 3 espiras de fio 22 a 26 enroladas sobre L2.

O trimmer deve ser ajustado para a máxima potência de saída. A operação é indicada na faixa de 80 a 110 MHz.

O mesmo circuito pode ser modificado para operar com 12 Volts, caso em que os transistores devem ser os 2N2218 ou 2N1711 com radiadores de calor. Neste caso precisamos de um pouco mais de potência para excitação, mas em compensação a potência de saída pode passar de 1 watt.

 

Amplificador 2

Este circuito em classe C usa apenas um transistor que pode ser o, 2N2218 ou 1N1711 para alimentação até 12 Volts ou então o 2N3866 caso em que precisamos de uma potência de excitação maior. Conforme mostra a figura 20 temos duas bobinas neste circuito.

 

Figura 20
Figura 20

 

A primeira consta de 3 espiras de fio 22 a 26 sobre a bobina da etapa anterior de amplificação e a segunda de 4 espiras de fio 22 ou 24 com diâmetro de 1 cm sem núcleo. O trimmer deve ser ajustado para máximo rendimento.

 

ACOPLAMENTO DE ANTENA

Um problema sério que ocorre quando vamos colocar “no ar" um transmissor é o acoplamento da antena. O transmissor deve transferir todo o sinal gerado para a antena e esta para o espaço. Se isso não ocorrer, não só não temos o alcance desejado como o retorno da energia de RF pode sobrecarregar os componentes do transmissor causando sua queima.

Outro problema está na necessidade de eliminarmos as harmônicas que são geradas pelos circuitos e que não devem chegar a antena.

Temos de analisar todos estes casos:

 

a) Impedância de antena

Da mesma forma que um alto-falante tem uma impedância e um amplificador também, devendo haver casamento de ambos para que o melhor som seja obtido, o mesmo ocorre em relação ao transmissor e a antena.

Somente se a saída do transmissor estiver “casada" com a antena é que teremos o máximo de transferência de energia e com isso o máximo alcance. Um transmissor de poucos miliwatts pode alcançar milhares de quilômetros na faixa de ondas curtas se soubermos casar sua saída com uma antena ideal. A figura 21 dá uma ideia do que ocorre.

 

Figura 21
Figura 21

 

Dependendo do seu tamanho e da forma a antena apresenta uma impedância. Uma antena vertical, como por exemplo a mostrada na figura 46 que é do tipo "vertical” de meia onda ou plano terra tem uma impedância de 22 ohms.

 

Figura 22
Figura 22

 

Um dipolo de meia onda como o mostrado na figura 23 tem uma impedância de 300 ohms.

 


 

 

Isso significa que não só a saída do transmissor deve casar com estas impedâncias, como também o fio usado para a transmissão do sinal.

As etapas de saída dos circuitos osciladores e dos amplificadores normalmente tem uma impedância muito maior, o que quer dizer que a ligação direta das antenas nestes circuitos pode trazer alguns inconvenientes.

Um deles ocorre com pequenos transmissores, como o mostrado na figura 24, onde a antena e diretamente ligada ao coletor do transistor oscilador.

 

Figura 24
Figura 24

 

A antena carrega o circuito e passa a influir na própria frequência do oscilador. A aproximação da antena de objetos ou mesmo sua movimentação, faz com que a frequência do oscilador seja alterada, isso sem se falar de que não temos o máximo rendimento do circuito com a transmissão da máxima potência para o espaço.

Para pequenos transmissores não críticos como walk-talkies, microfones sem fio e microfones espiões, pela simplicidade de ligação, esta configuração é tolerada.

Um modo melhor de acoplarmos a antena no caso de uma do tipo vertical (telescópica) consiste em se fazer sua ligação numa tomada conforme mostra a figura 25.

 

Figura 25
Figura 25

 

A escolha do ponto de ligação vai depender da impedância da antena e da bobina. Nos circuitos transistorizados onde temos uma impedância entre 200 e 500 ohms tipicamente para uma saída de baixa potência, isso significa uma derivação um pouco acima da metade da bobina.

Entretanto, como. a impedância da antena também depende de seu comprimento, é preciso levar isso em conta. Em montagens simples é interessante procurar encontrar o ponto ideal de ligação da antena que possibilite o máximo rendimento. Neste ponto, a aproximação da antena de objetos ou da mão também não provocará alterações na frequência do circuito.

Para ligação da antena por meio de cabo também é possível usar este tipo de acoplamento. Pode-se até fazer uma bobina com diversas derivações procurando-se experimentalmente a que dê melhores resultados.

Outra possibilidade interessante, ligada a este tipo de acoplamento é a ligação de um trimmer em série, que permita ajustar o acoplamento e assim obter-se o melhor rendimento conforme mostrado na figura 26.

 

Figura 26
Figura 26

 

Finalmente temos o meio mais conveniente, que é o acoplamento pelo enrolamento de uma segunda bobina colocada entrelaçada ou sobre a bobina tanque ou na senda do transmissor conforme mostra a figura 27.

 

Figura 27
Figura 27

 

A bobina secundária de ligação a antena deve ser calculada em função da impedância da antena e da impedância do circuito de carga. Para pequenos transmissores esta bobina tem 2 ou 3 espiras no caso de antenas de 50 ohms e de 5 a 7 espiras no caso de antenas de 300 ohms.

Estes dados são válidos para o caso de transmissores de FM com a faixa de operação entre 60 e 100 MHz tipicamente.

Para transmissores na faixa de ondas curtas estas bobinas terão tipicamente de 10 a 30 espiras dependendo da frequência, da faixa de operação e das características da etapa de saída do transmissor.

 

b) Filtros

As características não lineares dos circuitos amplificadores fazem com que sejam gerados sinais harmônicos, ou seja, de frequências múltiplas do original e que devem ser eliminados. Estes sinais não devem ser transmitidos pois causariam problemas de interferências.

Para a eliminação destes sinais espúrios o meio mais comum consiste no uso do filtro em PI (π) de antena, que tem a configuração mostrada na figura 28.

 

Figura 28
Figura 28

 

A bobina e os capacitores devem ser dimensionados de modo a formar um circuito ressonante na frequência que se deseja eliminar, normalmente o primeiro harmônico do sinal transmitido.

Para um transmissor de FM típico a bobina consiste em 4 espiras de fio 22 ou 24 em fôrma de 1 cm e o trimmer do tipo 3-30 pF. O ajuste é feito de modo a se ter máxima intensidade do sinal fundamental.

Para um transmissor de ondas curtas entre 10 e 20 MHz esta bobina terá de 15 a 20 espiras de fio, cuja espessura depende da potência do sinal e o diâmetro será de 2 cm sem núcleo.

 

 

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