Existem diferentes formas de polarizar um circuito amplificador com o uso de resistores, como a polarização fixa, polarização com resistor no emissor e por divisor de tensão. Aqui vamos projetar uma etapa amplificadora com 2 transistores bipolares em polarização fixa. Os transistores que serão utilizados no projeto são o BC549 e TIP 32, ambos bipolares, sendo NPN e PNP respectivamente.
A análise inicia pela chamada reta de carga do transistor BC 549. Essa informação consta no datasheet desse componente. Através da reta de carga será definido o chamado ponto quiescente, que é aquele onde o transistor irá operar. Como a intenção é realizar um projeto onde o mesmo desempenhe o papel na amplificação de áudio, existe a necessidade de procurar uma área do gráfico onde essa amplificação seja linear. Pois caso contrário, o amplificador terá muitas distorções apresentadas em sua saída. Foi então definida a alimentação a ser utilizada – 9 Volts – e foi traçada uma reta vermelha até a corrente de coletor arbitrada no valor de 40mA. Desta forma, o ponto quiescente (Q) foi definido 150 µA.
Gráfico Ic x VCE usados para encontrar a reta de carga e o ponto quiescente
Resistores de Polarização
Como já dito, a polarização utilizada no circuito amplificador é do tipo polarização fixa. Esse tipo de polarização está sujeita a instabilidades principalmente no tocante ao calor gerado pelo transistor, fato esse que pode levar a instabilidades durante o funcionamento. Abaixo encontra-se o circuito amplificador que foi projetado em classe A com os dois transistores, NPN e o PNP.
Circuito amplificador classe A.
Cálculo dos Resistores de Polarização
O transistor TIP32 é do tipo PNP e foi ligado ao outro transistor através do chamado acoplamento direto. O coletor do TIP32 foi ligado ao alto-falante. O circuito foi montado na matriz de contatos e teve seu funcionamento verificado. Como foram realizados testes em bancada por curtos intervalos de tempo, não foi instalado dissipador de calor no transistor.
Montagem prática do amplificador classe A na matriz de contatos
A polarização realizada no transistor NPN (BC 549) pode ser alterada com a consequente modificação do valor dos resistores. Se for alterado o valor de RB, o ponto quiescente se move sobre a reta, como mostrado na figura abaixo (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).
Movimento do ponto Q com valores de IB
Pode-se também aumentar o valor de RC e nesse caso haverá um deslocamento diferente da reta de carga. Pois, “se VCC for mantido fixo e RC aumentado, a reta de carga se deslocará como ilustrado na figura a seguir.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 152).
Efeito na reta de carga e ponto Q no aumento do valor de RC
Uma outra possibilidade para deslocar a reta de carga, é diminuir a tensão de alimentação,. Dessa forma, ao se manter fixo os valores dos resistores também haverá deslocamento da reta de carga (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).
Efeito de valores menores de VCC na reta de carga e ponto Q
Capacitor de Acoplamento
Foi utilizado um capacitor de acoplamento no valor de 100nF de poliéster na entrada do circuito. Desta forma, não haverá instabilidades associadas com a componente contínua (CC) junto a fonte origem do sinal de áudio (um MP3 player, por exemplo).
NPN ou PNP
Ademais, mencionamos que o mesmo circuito que fora projetado poderia funcionar com transistores complementares aos utilizados. Ou seja, um transistor NPN poderia ser trocado por um PNP com as mesmas características e vice-versa. Porém, haveria necessidade de inverter a polaridade da fonte de alimentação e algum outro componente polarizado que estivesse sendo usado no circuito, como um capacitor eletrolítico, por exemplo. Ou seja, mesmo utilizando “[…] um transistor NPN, as equações e os cálculos se aplicam igualmente bem a uma configuração com transistor PNP, bastando para isso que invertamos os sentidos de correntes e polaridades das tensões.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 146).
Como Medir a Potência
Realizadas as montagens podemos verificar qual a potência RMS conseguida em cada um dos circuitos, ao alimentar com tensões diferentes. Uma forma simples de realizar essa medição é com o uso de resistores, de tal forma que a resistência ôhmica seja igual a impedância que se deseja simular.
Importante: É fato que resistência e impedância são conceitos diferentes. A impedância leva em consideração efeitos capacitivos e reativos, já a resistência não. Pode-se citar como exemplo a tentativa de medir diretamente a impedância de um alto-falante com o uso de um multímetro. Essa leitura não será precisa, pois estamos medindo somente a resistência ôhmica e não levando em consideração a parcela da reatância indutiva e até da reatância capacitiva (parasita no caso de um alto-falante).
Assim, é possível realizar um cálculo rápido para verificar a máxima potência que um amplificador de áudio pode alcançar. Pois com a medição da corrente consumida pelo circuito amplificador e a tensão aplicada na sua alimentação é possível chegar ao máximo de potência que poderia ser atingida.
O cálculo deve ser realizado seguindo a fórmula de potência, como segue:
P = V x I –> Potência = Tensão x Corrente
Porém, esse é um cálculo teórico e não leva em consideração nenhum tipo de perda. Mas ele serve para mostrar que não é possível criar energia do nada. Desta maneira, em teoria, a máxima potência que poderia ser conseguida seria o produto entre tensão e corrente.
A forma mais correta e utilizada pela indústria de amplificadores é medir a potência chamada RMS (root mean square ou eficaz). Ela corresponde a quantidade de energia que um amplificador pode entregar a uma carga trabalhando com um sinal em forma de senoide (senoidal).
Para se realizar essa medição são necessários alguns itens:
– Gerador de funções capaz de gerar ondas senoidais na frequência de 1KHz.
– Um multímetro que possua escala de Volts – CA.
– Resistor ou banco de resistores de forma a ser conseguida uma resistência ôhmica igual à carga do amplificador. Além do mais, deve-se levar em consideração a potência máxima possível de ser alcançada pelo amplificador para que os resistores possuam potência de dissipação dentro desses parâmetros.
Assim, há necessidade de que o resistor suporte a potência máxima de saída do amplificador. Porém, é sabido que os maiores resistores comerciais que podem ser encontrados situam-se na casa dos 50 Watts de potência de dissipação. Dependendo da aplicação, 50 Watts pode ser um valor pequeno. Então melhor seria estar preparado para medir potências em amplificadores mais potentes.
Sendo assim, é possível adquirir 15 resistores no valor comercial de 120 Ω x 5 Watts, cada um. Após isso, realizar a ligação em paralelo desses resistores de forma a obter uma resistência equivalente de 8 Ω, conforme cálculo mais adiante. Esse cálculo foi realizado através da fórmula usada para encontrar o valor da resistência equivalente em um circuito com associações em paralelo. Uma vez que os resistores podem ser associados em série ou paralelo. Sendo que na associação em série, a resistência equivalente corresponde ao somatório de todas as resistências ligadas.
Analisando o circuito abaixo, pode-se ver que todos os resistores estão sendo alimentados com a mesma tensão.
Resistências associadas em paralelo
Dessa forma temos:
A corrente que flui da bateria se divide ao encontrar os resistores. A intensidade com que a corrente irá circular por cada um dos resistores está ligada ao valor de cada um dos resistores. Mas segundo a Lei de Kirchhoff, a soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem do nó.
Então, utilizando a Lei de Ohm (I = V / R) é possível reescrever a fórmula acima de outro jeito:
Como a tensão V está multiplicando todos os elementos, é possível usar um recurso da matemática chamado evidência e assim colocar a tensão em evidência.
Em seguida, a tensão que estava multiplicando passa para o lado esquerdo da igualdade, porém como divisão.
Pela Lei de Ohm, sabe-se que V = R x I ou R x I / V.
Passando o R para o outro lado ele vai dividindo e tem-se:
Assim substitui-se na última fórmula acima onde Ifonte / V e tem-se:
Então provada a fórmula para cálculo da resistência equivalente para ligações em paralelo, há necessidade de aplicar a mesma nos valores de resistores anteriormente citados para se chegar até as resistências necessárias para testes dos circuitos amplificadores.
Como os denominadores são todos iguais não há necessidade de realizar o MMC, dessa forma tem-se:
Quanto à potência máxima suportada por esse conjunto de 15 resistores em paralelo, temos. Novamente lembrando a Lei de Kirchhoff:
A fórmula de potência é P = V x I, ou reescrita, temos:
Substituindo na fórmula que chegou-se com a Lei de Kirchhoff:
Como o denominador é o mesmo para toda a sentença, tem-se:
Assim, fica provado que a potência é subdividida na ligação em paralelo e a associação dos resistores que serão utilizados na medição de potência chega ao seguinte cálculo:
15 resistores x 5 Watts = 75 Watts
Esses cálculos foram realizados para o primeiro conjunto de resistores que totaliza uma carga de 8 Ω, Caso a impedância desejada para os testes seja de 4 Ω, é possível realizar a construção de uma outra associação de forma a obter um conjunto que suporte uma potência máxima também elevada. Dessa forma, com 11 resistores de 47 Ω x 10 Watts, chega-se a uma resistência equivalente de 4,7 Ω, um valor aproximado de 4 Ω com o uso de resistores de valores comerciais.
Quanto à potência máxima suportada por esse conjunto de 11 resistores em paralelo, temos:
11 resistores x 10 Watts = 110 Watts
Para realizar o teste de bancada da medição da potência devem ser seguidas as seguintes etapas:
– Injetar um sinal senoidal na entrada do amplificador na frequência de 1000 Hz (1KHz). Esse sinal pode vir de um gerador de sinais ou então gerado através de um software como o Sound Forge.
– Ajustar o amplificador no volume máximo, caso o mesmo possua controle de volume.
– No lugar do alto-falante ligar a ponte de resistores que foi mostrada de acordo com a impedância que se deseja utilizar: 4 ou 8 ohms.
– Ligar a tensão de alimentação do amplificador.
– Com um multímetro na escala tensão AC, medir o valor que está sendo lido. O ideal nesse teste é utilizar um multímetro true RMS.
Maior Tensão de Trabalho, Maior Potência de Saída
Segundo a fórmula da potência, tem-se que P = V x I. Se a tensão ou a corrente aumentarem, a potência resultante também aumentará. Dessa forma, o circuito amplificador montado pode ter sua tensão elevada e dessa forma será conseguida uma potência maior de saída. Sem refazer os cálculos dos resistores de polarização fixa, no Circuit Maker a tensão foi aumentada de 9 Volts para 12 Volts (em destaque na imagem abaixo). A potência sonora conseguida foi então aumentada também segundo mostra a figura.
Efeito do aumento da potência sonora com o aumento da tensão de alimentação do amplificador.
Referências bibliográficas
BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11a Edição: São Paulo: Pearson, 2013.
CARVALHO, Antônio Carlos Lemos; SILVA, Davinson Mariano. Laboratório de eletrônica analógica e digital. 1a Edição: São Paulo: Senai SP, 2015.