A amplificação do sinal de áudio é uma das aplicações mais conhecidas dos transistores. Para entendermos como isso acontece, é importante conhecer algumas características dos transistores, suas formas de polarização e também alguns componentes que fazem parte dos circuitos amplificadores.
Os transistores podem ser encontrados em diferentes formatos e potências. Existem transistores de pequena potência, utilizados principalmente para trabalhar com sinais de baixa intensidade, e transistores de potência, projetados para suportar maiores níveis de corrente, tensão e dissipação de potência, dentro dos limites especificados pelo fabricante.
Os transistores de pequeno sinal normalmente dissipam pouca potência durante sua operação. Isso não significa que eles não possam aquecer, mas, nas condições normais para as quais foram projetados, a dissipação costuma ser pequena.
Já os transistores de potência são construídos para trabalhar em situações nas quais a dissipação de potência pode ser consideravelmente maior. Por isso, dependendo da aplicação, pode ser necessário utilizar dissipadores de calor.
O transistor 2N3055
Um transistor bastante conhecido em circuitos de potência é o 2N3055.
Esse transistor possui encapsulamento metálico do tipo TO-3 e, olhando para ele, podemos perceber apenas dois terminais isolados na parte inferior. Isso pode causar alguma estranheza, pois sabemos que um transistor BJT possui três terminais: base, coletor e emissor.
No 2N3055, o próprio encapsulamento metálico está eletricamente conectado ao coletor, funcionando como o terceiro terminal.
É importante destacar que isso não acontece porque o coletor seja simplesmente “o elemento que mais esquenta”. O calor é produzido no dispositivo semicondutor durante seu funcionamento e precisa ser conduzido da junção para o encapsulamento e, quando necessário, para um dissipador de calor.
Variedades de transistores bipolares
O ganho de corrente do transistor
Uma das características importantes de um transistor BJT é seu ganho de corrente.
Esse ganho pode ser representado por βDC ou hFE e relaciona, de maneira simplificada, a corrente de coletor com a corrente de base:
βDC = IC / IB
Assim, conhecendo aproximadamente o ganho de corrente e a corrente aplicada à base, podemos estimar a corrente de coletor enquanto o transistor estiver trabalhando na região apropriada de operação.
Entretanto, é importante entender que o hFE não é um valor fixo.
Ao observar o datasheet de um transistor, normalmente encontramos uma faixa de valores. O ganho pode variar de um transistor para outro e também depende de fatores como corrente de coletor e temperatura.
Por isso, em um projeto não devemos considerar que dois transistores do mesmo modelo terão necessariamente exatamente o mesmo ganho.
Como testar um transistor com o multímetro?
Podemos compreender de forma simplificada um transistor BJT imaginando suas junções internas como duas junções PN.
Essa característica permite realizar alguns testes utilizando um multímetro.
Nos multímetros digitais atuais, o mais indicado é utilizar a função teste de diodo.
Em um transistor NPN em boas condições, colocando a ponta positiva do multímetro na base, devemos observar uma queda de tensão típica de uma junção de silício quando colocamos a ponta negativa no emissor e depois no coletor.
Invertendo as pontas, normalmente não deverá ocorrer condução significativa nessas junções.
No caso de um transistor PNP, as polaridades utilizadas no teste são invertidas.
Também podemos verificar o caminho entre coletor e emissor. Em um BJT simples, fora do circuito e sem corrente aplicada à base, normalmente não esperamos uma condução significativa entre coletor e emissor.
Esse teste é útil para identificar alguns defeitos, principalmente transistores em curto, mas não substitui uma análise completa do componente em suas condições reais de operação.
Realizar o teste do transistor com o multímetro analógico
Classes de amplificação
Os amplificadores podem ser classificados de acordo com a maneira como seus dispositivos ativos conduzem o sinal.
Entre as classes mais conhecidas estão Classe A, Classe B e Classe AB.
Cada uma apresenta características diferentes em relação à polarização, eficiência e distorção.
Amplificador Classe A
Na Classe A, o transistor permanece conduzindo durante todo o ciclo do sinal, ou seja, possui um ângulo de condução de aproximadamente 360 graus.
Para isso, o transistor é polarizado de forma que permaneça em sua região ativa mesmo quando não existe sinal de áudio aplicado à entrada.
Essa característica permite amplificar todo o ciclo do sinal utilizando o mesmo dispositivo e evita a distorção de crossover característica de determinadas etapas Classe B.
A desvantagem é sua baixa eficiência.
Mesmo quando não existe sinal na entrada, o transistor continua conduzindo corrente e dissipando potência. Por isso, uma parte considerável da energia fornecida pela fonte é transformada em calor.
A eficiência máxima teórica depende da configuração utilizada. Em uma etapa Classe A com carga resistiva, por exemplo, a eficiência máxima teórica é relativamente baixa, podendo chegar a aproximadamente 25%.
Isso explica por que amplificadores Classe A normalmente exigem atenção especial à dissipação térmica.
Amplificador Classe B
Na Classe B, o dispositivo é polarizado de forma a conduzir aproximadamente durante metade do ciclo do sinal, ou seja, aproximadamente 180 graus.
Em uma etapa de saída complementar, podemos utilizar dois transistores: um atua predominantemente durante o semiciclo positivo e o outro durante o semiciclo negativo.
Essa configuração apresenta eficiência maior que a Classe A.
Entretanto, existe um problema na região em que o sinal cruza o zero.
Nos transistores de silício é necessária uma determinada tensão entre base e emissor para que a condução se torne significativa. Em uma etapa complementar Classe B, isso pode criar uma pequena região próxima ao cruzamento por zero em que nenhum dos dois transistores conduz adequadamente.
O resultado é uma deformação no sinal conhecida como distorção de crossover.
Portanto, não é exatamente que o transistor “não interprete” sinais entre 0 V e 0,7 V. O problema está na forma como as junções base-emissor dos transistores começam a conduzir na região próxima ao cruzamento do sinal.
Amplificador Classe AB
A Classe AB procura combinar algumas características das Classes A e B.
Nesse caso, os transistores são polarizados de forma que conduzam durante um pouco mais de metade do ciclo. Dessa forma, o ângulo de condução fica entre 180 e 360 graus.
Essa pequena sobreposição entre a condução dos dispositivos ajuda a reduzir a distorção de crossover encontrada em uma etapa Classe B ideal.
Por isso, a Classe AB é muito utilizada em amplificadores de áudio, oferecendo um compromisso interessante entre eficiência e baixa distorção.
Os capacitores nos circuitos de áudio
Os capacitores são componentes muito importantes nos circuitos amplificadores.
Existem diferentes tipos de capacitores, classificados de acordo com características como material dielétrico, tecnologia de fabricação, construção e aplicação.
Muitos capacitores utilizados em eletrônica não possuem polaridade definida. Entretanto, alguns tipos são polarizados, como grande parte dos capacitores eletrolíticos de alumínio.
Também existem capacitores eletrolíticos desenvolvidos especificamente para utilização sem polaridade definida, conhecidos como bipolares ou não polarizados.
Por isso, é importante verificar sempre as características do componente que será utilizado.
Capacitor de acoplamento
Uma aplicação muito comum do capacitor em circuitos amplificadores é o acoplamento entre estágios.
O capacitor de acoplamento permite a passagem da componente alternada correspondente ao sinal de áudio e bloqueia a componente contínua entre os diferentes pontos do circuito.
Isso é importante porque cada estágio pode possuir sua própria polarização em corrente contínua.
O capacitor não deve ser entendido literalmente como um curto-circuito para qualquer sinal CA.
Sua oposição à passagem de corrente alternada é chamada de reatância capacitiva e depende da frequência e da capacitância:
Xc = 1 / (2πfC)
Quanto maior a frequência ou a capacitância, menor será a reatância capacitiva.
Por isso, o valor do capacitor de acoplamento deve ser escolhido levando em consideração a impedância do circuito e a menor frequência que desejamos transmitir adequadamente.
Região de trabalho de um amplificador operando em classe A.
Frequências de uma guitarra
Quando trabalhamos com amplificadores para instrumentos musicais, precisamos considerar a faixa de frequências que queremos reproduzir.
No caso de uma guitarra em afinação padrão, a frequência fundamental da corda Mi grave é de aproximadamente 82 Hz.
Isso significa que não podemos considerar, por exemplo, que 1 kHz seja a frequência mais baixa de interesse para uma guitarra.
Além das frequências fundamentais produzidas pelas cordas, o sinal contém diversos harmônicos, que se estendem por frequências muito mais elevadas e têm grande influência sobre o timbre do instrumento.
Portanto, ao dimensionar os capacitores de acoplamento de um amplificador para guitarra, precisamos levar em consideração tanto as frequências mais baixas do instrumento quanto a faixa de harmônicos que desejamos preservar.
Uma frequência de corte de 100 Hz, por exemplo, já está acima da fundamental da corda Mi grave, de aproximadamente 82 Hz. Dependendo do objetivo do circuito, isso pode provocar alguma atenuação das frequências mais graves.
Capacitor de desacoplamento
Outra aplicação importante é o capacitor de desacoplamento da alimentação.
Esse capacitor ajuda a reduzir ruídos, variações rápidas de tensão e sinais indesejados presentes na linha de alimentação.
Em determinadas condições, um amplificador pode apresentar oscilações de baixa frequência conhecidas como motorboating. Esse fenômeno pode estar relacionado à realimentação indesejada através da alimentação e ao desacoplamento inadequado entre os estágios.
O capacitor de desacoplamento ajuda a oferecer um caminho de baixa impedância para determinadas componentes alternadas e transientes presentes na alimentação.
Entretanto, ele não deve ser entendido como uma solução para uma pilha ou bateria descarregada. Se a fonte não consegue fornecer a tensão e a corrente necessárias ao circuito, é preciso resolver o problema da própria alimentação.
Representação do bloco de operação push-pull.
Capacitor em paralelo com o resistor de emissor
Em alguns amplificadores encontramos um capacitor ligado em paralelo com o resistor de emissor do transistor.
O resistor de emissor é importante para a estabilização do ponto de operação do transistor, mas também introduz uma forma de realimentação negativa que reduz o ganho do estágio para sinais alternados.
Ao colocar um capacitor em paralelo com esse resistor, podemos reduzir essa realimentação para as frequências em que a reatância do capacitor é suficientemente baixa.
Com isso, conseguimos aumentar o ganho de tensão do estágio para o sinal de áudio, sem simplesmente eliminar o efeito estabilizador do resistor de emissor sobre a polarização em corrente contínua.
Portanto, o aumento do ganho não acontece simplesmente porque o capacitor “abaixa a impedância da entrada”. Seu principal efeito é reduzir a degeneração ou realimentação negativa de emissor para o sinal alternado.
Dissipação de calor nos transistores
Quando um transistor trabalha em um amplificador, parte da potência elétrica pode ser transformada em calor.
Em uma aproximação simples para um transistor BJT, uma parcela importante dessa dissipação pode ser estimada por:
P ≈ VCE × IC
onde VCE é a tensão entre coletor e emissor e IC é a corrente de coletor.
Isso significa que um transistor pode dissipar bastante potência quando existe simultaneamente uma tensão significativa entre coletor e emissor e uma corrente elevada passando pelo dispositivo.
O calor é produzido na região ativa do semicondutor, e um parâmetro muito importante é a temperatura da junção, normalmente indicada como Tj.
Essa temperatura não pode ultrapassar o limite máximo especificado pelo fabricante.
Dissipador de calor
Quando a potência dissipada pelo transistor é elevada, o próprio encapsulamento pode não ser suficiente para transferir o calor para o ambiente.
Nesse caso utilizamos um dissipador de calor.
O objetivo é facilitar a transferência do calor produzido no transistor para o ambiente, mantendo a temperatura da junção dentro de limites seguros.
Entre o transistor e o dissipador também pode ser utilizada uma pasta ou composto térmico.
Sua função é preencher pequenas irregularidades existentes nas superfícies de contato, reduzindo a resistência térmica entre o encapsulamento do componente e o dissipador.
Existem diferentes tipos de compostos térmicos, com diferentes formulações e características. Portanto, eles não precisam necessariamente possuir uma determinada cor ou composição específica.
Dependendo do encapsulamento e do circuito, também pode ser necessário utilizar isoladores elétricos entre o transistor e o dissipador, principalmente quando alguma parte metálica do encapsulamento estiver eletricamente conectada a um dos terminais do transistor.
Entendendo a amplificação do sinal de áudio
A amplificação de áudio envolve muito mais do que simplesmente aumentar a amplitude de um sinal.
Quando analisamos um amplificador, precisamos compreender a polarização dos transistores, sua classe de operação, o ganho, os capacitores de acoplamento e desacoplamento, a resposta em frequência e a dissipação térmica dos componentes.
Compreender esses conceitos ajuda não apenas a montar circuitos que já existem, mas também a identificar problemas, realizar modificações e desenvolver novos projetos.
É justamente essa compreensão prática dos componentes e dos circuitos que permite avançar no estudo da Eletrônica Aplicada ao Áudio e aprofundar temas específicos de Amplificadores e Eletrônica Valvulada.
Referências bibliográficas
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