Quais componentes tem como função primária enviar um sinal para um sistema elétrico

ARTIGO ORIGINAL

RODRIGUES, Icaro Roger Quites [1], MORAIS, Aniel Silva de [2]

RODRIGUES, Icaro Roger Quites. MORAIS, Aniel Silva de. Montagem e análise de um circuito amplificador de pequenos sinais. Revista Científica Multidisciplinar Núcleo do Conhecimento. Ano 04, Ed. 12, Vol. 03, pp. 38-43. Dezembro de 2019. ISSN: 2448-0959, Link de acesso: https://www.nucleodoconhecimento.com.br/engenharia-eletrica/circuito-amplificador

RESUMO

 Amplificadores de sinais são uteis para a amplificação de pequenos sinais de circuitos de rádios, televisores e telégrafos. No presente trabalho é proposta a montagem de um amplificador de sinais de baixo custo com a utilização de transistor de junção bipolar, assim também como a obtenção de um modelo teórico por meio do programa computacional QUCS (Spice), versão 0.19, que descreva satisfatoriamente o mesmo.

Palavras-Chave: amplificação, transistores de junção bipolar (TJB), sinais.

1. INTRODUÇÃO

Os Amplificadores de sinais são utilizados desde o século XX. Hoje são comumente empregados para amplificação de pequenos sinais de circuitos de rádios, televisores e telégrafos. [3]

A tecnologia de amplificação de sinais está estreitamente ligada ao uso de transistores Bipolar de Junção (TBJ). Estes são componentes eletrônicos semicondutores cujas principais funções são a amplificação da tensão, interrupção de sinais ou de energia elétrica e a comutação de circuitos. [3]

O presente trabalho tem como objetivo a montagem de um amplificador de sinais de baixo custo com a utilização de transistor de junção bipolar e a obtenção de um modelo teórico do amplificador por meio do programa computacional QUCS (Spice), versão 0.19, que descreva satisfatoriamente o mesmo. Para a validação do modelo serão empregados dados experimentais obtidos por meio do amplificador montado.

2. METODOLOGIA

2.1 MONTAGEM DO AMPLIFICADOR

O amplificador de sinais, representado pela Figura 1, foi montado a partir dos materiais apresentados na Tabela 1.

Figura 1: Circuito amplificador de sinais montado.

Tabela 1: Materiais empregados na montagem do amplificador (Fonte: Autor)

O circuito do amplificador foi projetado em uma arquitetura de 3 estágios; O primeiro estágio é composto por uma amplificação de sinal realizada por um transistor de pequenos sinais e o segundo a uma amplificação realizada por um transistor de potência, ambos focados em ganho de tensão. O terceiro estágio é um “push-pul” do tipo seguidor de emissor, para casamento de impedâncias e ganho de corrente.

No circuito apresentado, os transistores atuam diretamente na junção emissor/base polarizada e reversamente na junção coletor/base polarizada. O capacitor de entrada conecta a tensão de entrada (Vin) à base do amplificador. Já o capacitor de saída conecta a tensão do coletor ao resistor de carga, um alto falante com sinal amplificado.

2.3 SIMULAÇÃO TEÓRICA

A simulação teórica do amplificador de sinais foi realizada com base na metodologia de análise apresentada pelo autor Malvino [1]. Onde é feita uma análise composta de duas etapas para verificar o comportamento do circuito.

O amplificador montado foi analisado em duas etapas, no primeiro momento o circuito foi alimentado somente por uma tensão continua (Análise de circuito com corrente continua) para determinar a região de operação dos transistores e em uma segunda análise foi adicionado o sinal de entrada alternado (Análise de circuito com corrente alternada), para amplificar esse pequeno sinal de entrada alternado.

2.4 ANÁLISES EXPERIMENTAIS 

Foram utilizados o multímetro e o amperímetro afim de determinar os valores das tensões no circuito prático, para verificar se as tensões calculadas no modelo teórico eram similares. Sendo assim, verificando se os transistores no circuito prático estavam funcionando na região de operação.

3. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Para as análises teóricas, a tensão de entrada do circuito (Vin) foi estabelecida em 10 mV e considerou-se que a fonte não possui resistência interna.

As seguintes análises de circuito com corrente contínua e de corrente alternada, são métodos teóricos utilizados para determinarmos as características de cada sistema.

3.1 CIRCUITO COM CORRENTE CONTÍNUA

Essa análise foi realizada para determinação do comportamento de cada transistor presente no circuito montado e verificar se estes operam dentro da reta de carga sem que haja saturação dos transistores, para que não ocorra o comprometimento do sinal de entrada. Uma vez que os sinais analisados apresentam ordem de grandeza pequena, da ordem de millivolt (mV), a mínima saturação do sistema pode provocar a perda do sinal.

Para a análise, considerou-se que todos os capacitores atuavam em circuitos abertos, ou seja, os capacitores não afetam a operação em corrente contínua.

Retirou-se temporariamente a tensão de entrada alternada do circuito e calcularam-se as tensões e correntes do circuito com base na regra do divisor de tensão e nas Leis de Kirchhoff.

Foram determinados os valores das correntes do sistema, e também a região de operação de cada um dos transistores e assegurou-se que os mesmos trabalhavam na região de amplificação.  Os valores obtidos são apresentados na Tabela 2.

Tabela 2 – Tensões e correntes dos transistores.

3.1.1 CIRCUITO CORRENTE ALTERNADA

Essa análise foi feita para determinar o ganho do sinal em cada estágio do circuito do amplificador, observando as correntes e tensões. Para tanto foi utilizada a técnica de Giacoletto, que permite partir o circuito em partes para análise facilitada de cada estágio do mesmo [1].

Para a análise, a fonte de tensão contínua foi trocada pelo fio terra (ground) e os capacitores foram considerados como curto-circuito. Considerou-se que o sinal de entrada como uma fonte ideal, senoidal, com 10 mV de pico e frequência de 2 kHz.

A entrada do circuito de amplificação é apresentada na Figura 2 (a) e a Figura 2 (b), (c) e (d) representa os estágios de ampliações do circuito 1, 2, e 3. As grandezas obtidas para cada estágio são apresentadas na Tabela 3.

Figura 2: Circuito. (a) de entrada; (b) equivalente 1, (c) equivalente 2, (d) equivalente 3.

As figuras foram feitas através do programa QUCS para dar uma visão de como é o arranjo do estágio e de seu funciona, colocando de uma maneira visual os ensinamentos de Malvino.

Tabela 2: Grandezas obtidas.

O ganho total, é definido pela razão entre o sinal de saída (volt) e o sinal de entrada (Vin), sendo expressa por meio da Equação 1. Logo, o sistema apresenta ganho total de 114, ou seja, o sinal de saída teve uma ampliação de 114 vezes em relação ao sinal original.

Conforme esperado, o ganho de tensão no último estágio do sistema (push-pull), que é representado pelo último estágio, foi aproximadamente unitário, pois essa configuração tem como característica operar sem ganho de tensão.

A potência entregue a carga, é dada pela multiplicação da corrente do coletor do último estágio pela tensão de saída (volt) pela Equação 2. Logo, a potência do sistema é de 320 mW.

Sendo:

Pout= Potência de saída

IC3= Corrente no último estágio

Volt= Tensão de saída

4. SIMULAÇÃO DO PROJETO

Na figura 5 é apresentado o modelo obtido pelo programa QUCS (Spice), versão 0.19.

Figura 5: Simulação do circuito de amplificação.

Tabela 3: Resultados da simulação (Fonte: Autor)

Nota-se que a tensão de saída da simulação contida na figura 6, apresenta um valor aproximado ao obtido por meio dos dados do sistema montado, o que confirma o bom funcionamento do modelo e do aparato experimental.

Figura 6: Montagem do circuito amplificador de pequenos sinais utilizando um amplificador de 4 ohms na saída.

5. CONCLUSÕES

Foi construído um amplificador de forma simples, acessível e de baixo custo. Foi um experimento satisfatório para treino de conhecimento e prática, é viável sua montagem para fins de uso de didáticos, pois é colocado em pratica os ensinamentos teóricos, promovendo uma melhor noção e entendimento de como ocorre o funcionamento dos amplificadores.

6. REFERÊNCIAS

[1] MALVINO, Albert Paul. Eletrônica – Vol. 1. 7ª ed.

[2] BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Pearson. 696 p.

[4] ADENILSON, J. Chiquito; FRANCESCO, Lanciotti Jr. O transistor, 50 anos. Revista Brasileira de Ensino de FIsica , [S.l.], v. 20, n. 4, p. 309-414, dez. 1998. Disponível em: <http://sbfisica.org.br/rbef/pdf/v20_309.pdf>.

[5] L. M. MEH, Ewald Disponível em:< https://app.cear.ufpb.br/~asergio/Eletronica/Transistor/Hist%C3%B3ria%20do%20Transistor.pdf>.

[1] Graduando em Engenharia Elétrica.

[2] Doutorado em Engenharia Elétrica. Mestrado em Engenharia Elétrica. Graduação em Grad. Eng. Elétrica enfase em Eletrotécnica.

Enviado: Junho, 2019.

Aprovado: Dezembro, 2019.

Quais os componentes tem como função primária enviar um sinal para um sistema elétrico?

Quais são os sinais elétricos?

Quais os dois tipos de sinais elétricos existentes?

Qual o sinal de corrente alternada?