Neste artigo vamos falar sobre a polarização do transistor em um pequeno amplificador de áudio. A ideia é entender um pouco melhor como podemos definir o ponto de operação do transistor e, a partir disso, montar e testar um pequeno circuito amplificador.
Para o nosso circuito utilizaremos inicialmente o transistor BC549, que é um transistor NPN de pequena potência bastante utilizado em circuitos de áudio.
Polarização do transistor BC549
Para que um transistor possa trabalhar corretamente como amplificador, precisamos definir seu ponto de operação, também chamado de ponto quiescente ou ponto Q.
Para isso, podemos utilizar as curvas características do transistor disponíveis no datasheet e traçar sobre elas a reta de carga do nosso circuito.
É importante observar que a reta de carga não vem definida no datasheet para o nosso amplificador. Ela depende das características do circuito que estamos construindo, principalmente da tensão de alimentação e das resistências existentes no circuito.
A partir da reta de carga podemos escolher um ponto de operação adequado para o transistor.
No nosso caso, utilizamos como referência uma corrente de base de aproximadamente 150 µA. Esse valor de corrente de base não deve ser confundido com o ponto Q. O ponto quiescente é determinado principalmente pelos valores de corrente de coletor (ICQ) e tensão coletor-emissor (VCEQ) resultantes dessa polarização.
A escolha do ponto Q é importante porque queremos permitir que o sinal de áudio possa variar ao redor desse ponto sem que o transistor entre facilmente nas regiões de corte ou saturação.
O pequeno amplificador de áudio
A ideia é montar um pequeno amplificador utilizando o BC549 juntamente com um transistor de potência TIP32.
O BC549 trabalha com o sinal de pequena amplitude, enquanto o TIP32 permite aumentar a capacidade de corrente entregue à carga.
É importante separar duas coisas: a polarização do transistor e a classe de operação do amplificador. A classe de operação depende da forma como os transistores são polarizados e de quanto do ciclo do sinal cada dispositivo conduz. Portanto, não podemos classificar todo o circuito simplesmente pela presença dos dois transistores.
O objetivo aqui é observar de maneira prática como a polarização interfere no funcionamento do amplificador.
Gráfico Ic x VCE usados para encontrar a reta de carga e o ponto quiescente
O capacitor na entrada do amplificador
Na entrada do circuito utilizamos um capacitor de 100 nF.
Esse capacitor funciona como um capacitor de acoplamento. Sua função é bloquear a componente contínua (CC) que possa existir entre a fonte do sinal e o ponto de polarização do amplificador, permitindo a passagem da componente alternada (AC) correspondente ao sinal de áudio.
Dessa forma, o sinal de áudio pode ser aplicado ao amplificador sem alterar diretamente a polarização CC definida para o transistor.
Circuito amplificador classe A.
A impedância do alto-falante
Outro ponto importante quando trabalhamos com amplificadores de áudio é a impedância do alto-falante.
Normalmente encontramos alto-falantes especificados como 4 Ω, 8 Ω, entre outros valores.
Se medirmos um alto-falante de 8 Ω utilizando um multímetro na escala de resistência, provavelmente não encontraremos exatamente 8 Ω.
Isso acontece porque o multímetro, nessa condição, mede basicamente a resistência em corrente contínua da bobina do alto-falante.
A impedância é diferente da simples resistência. Ela pode ser formada por uma componente resistiva e por uma componente reativa. Essa reatância pode ser indutiva ou capacitiva e depende da frequência do sinal.
No caso do alto-falante, a bobina apresenta também comportamento indutivo. Por isso, sua impedância varia com a frequência e não corresponde necessariamente ao valor de resistência que encontramos utilizando um multímetro.
Como medir a potência do amplificador?
Para testar um amplificador, podemos substituir temporariamente o alto-falante por uma carga resistiva.
Essa é uma maneira interessante de realizar medições sem precisar aplicar continuamente uma potência elevada ao alto-falante.
Para representar uma carga de 8 Ω, por exemplo, podemos utilizar 15 resistores de 120 Ω e 5 W ligados em paralelo.
O valor equivalente será:
120 / 15 = 8 Ω
Como cada resistor suporta 5 W, teoricamente o conjunto possui uma potência nominal total de:
15 × 5 = 75 W
É importante, naturalmente, garantir uma boa dissipação térmica e uma distribuição adequada da corrente entre os resistores.
Para uma carga próxima de 4 Ω, podemos utilizar, por exemplo, 11 resistores de 47 Ω e 10 W ligados em paralelo.
Nesse caso:
47 / 11 ≈ 4,27 Ω
Portanto, teremos uma carga de aproximadamente 4,3 Ω, com potência nominal total de:
11 × 10 = 110 W
Essas cargas podem ser utilizadas para testar amplificadores sem a necessidade de manter um alto-falante conectado durante todo o procedimento.
Montagem prática do amplificador classe A na matriz de contatos
Potência consumida não é a mesma coisa que potência de saída
Aqui precisamos fazer uma distinção importante.
Se medirmos a tensão fornecida pela fonte e a corrente consumida pelo amplificador e utilizarmos:
P = V × I
estaremos calculando a potência elétrica consumida da fonte.
Esse valor não corresponde necessariamente à potência que está sendo entregue pelo amplificador ao alto-falante.
Parte da energia fornecida pela fonte é dissipada no próprio circuito, principalmente na forma de calor.
Para calcular a potência média entregue a uma carga resistiva, podemos medir a tensão RMS sobre a carga e utilizar:
P = Vrms² / R
onde:
- P é a potência média entregue à carga;
- Vrms é a tensão RMS medida sobre a carga;
- R é o valor da resistência utilizada como carga.
Por exemplo, se medirmos 4 V RMS sobre uma carga de 8 Ω:
P = 4² / 8
P = 16 / 8
P = 2 W
Nesse caso, o amplificador está entregando aproximadamente 2 W à carga.
Movimento do ponto Q com valores de IB
Efeito na reta de carga e ponto Q no aumento do valor de RC
Efeito de valores menores de VCC na reta de carga e ponto Q
Como encontrar a potência máxima do amplificador?
Para determinar a potência máxima de saída não basta simplesmente colocar o controle de volume no máximo.
Podemos aplicar ao amplificador um sinal senoidal conhecido e observar sua saída utilizando um osciloscópio.
Aumentamos gradativamente o nível do sinal até nos aproximarmos do ponto em que começa a ocorrer o clipping, ou seja, quando o amplificador já não consegue reproduzir corretamente os picos da forma de onda.
A partir da tensão RMS medida na carga antes do nível de distorção definido para o teste, podemos calcular a potência entregue pelo amplificador.
Esse procedimento fornece uma informação muito mais útil do que simplesmente medir o consumo de corrente da fonte.
O que acontece se aumentarmos a tensão de alimentação?
Outra experiência interessante é observar o que acontece quando alteramos a tensão de alimentação do amplificador.
Se aumentarmos, por exemplo, a alimentação de 9 V para 12 V, podemos permitir uma excursão maior do sinal de saída e, consequentemente, obter uma potência maior na carga.
Entretanto, isso não significa que basta aumentar a tensão da fonte.
Precisamos verificar os limites máximos dos transistores, a dissipação de potência, a temperatura, o valor da carga e principalmente a polarização do circuito.
Quando alteramos a tensão de alimentação, o ponto de operação do transistor também pode ser alterado. Portanto, dependendo do tipo de polarização utilizado, pode ser necessário recalcular os componentes responsáveis pela definição do ponto Q.
Também devemos verificar se o transistor de potência necessita de um dissipador de calor, pois uma parte da potência fornecida pela fonte será dissipada no próprio transistor.
Efeito do aumento da potência sonora com o aumento da tensão de alimentação do amplificador.
O que aprendemos com este pequeno amplificador?
Apesar de ser um circuito relativamente simples, esse pequeno amplificador permite observar diversos conceitos importantes da eletrônica.
Podemos estudar na prática:
- polarização de transistores;
- ponto quiescente;
- reta de carga;
- capacitores de acoplamento;
- impedância de alto-falantes;
- cargas resistivas;
- potência consumida e potência entregue à carga;
- clipping;
- dissipação de potência.
Mais importante do que simplesmente montar o circuito é entender por que cada componente está ali e o que acontece quando alteramos seus valores.
É justamente esse tipo de experiência que permite deixar de apenas copiar circuitos e começar a compreender como eles realmente funcionam.
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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.