ELETRÔNICA - Transistores - Configurações
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COLETOR COMUM OU SEGUIDOR DE EMISSOR
Até agora nosso estudo se limitou ao circuito de emissor comum caracterizado por
apresentar uma baixa impedância de entrada, alta impedância de saída e um bom ganho de
tensão. Mas há situações em que se deseja uma alta impedância de entrada, baixa
impedância de saída e um alto ganho de corrente. Nesta situação, podemos utilizar um
circuito chamado seguidor de emissor ou coletor comum. Neste circuito, a entrada continua
sendo a junção base-emissor. Mas o coletor é ligado diretamente à fonte de alimentação, e o
sinal é retirado do resistor do emissor e pode ser acoplado ao estágio seguinte por um
capacitor de acoplamento. (Figura 01)
Fig. 01
O ganho de tensão do circuito seguidor de emissor é menor do que um, uma vez que
a tensão de saída é levemente menor do que a tensão de entrada. A tensão de entrada é
aplicada entre a resistência representada pela junção base-emissor do transistor mais o
resistor ligado no seu emissor, enquanto que o sinal de saída é retirado somente do resistor
de emissor.
Fig. 02
Geralmente usamos este tipo de circuito em estágios de entrada de amplificadores
projetados para receber pequenos sinais de uma fonte de alta impedância ou para alimentar
uma carga de baixa impedância que necessite uma alta potência de entrada.
Da mesma forma que no circuito emissor comum, o Re no circuito seguidor de emissor
influencia a impedância de entrada do transistor. Como a carga no circuito seguidor de
emissor é o próprio Re, e o seu valor é normalmente alto, o circuito tem tendência de
apresentar uma impedância de entrada bastante alta; ( lembre-se que a resistência do
emissor aparece refletida na base multiplicada por
). Observe que, por esta razão a
carga representada pelo estágio seguinte, e que está em paralelo com Re, vai afetar o valor
de Re e, consequentemente, a impedância de entrada refletida na base do transistor. O
efeito da carga em paralelo com Re vai aparecer refletido na base multiplicada por
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(Fig. 03). Num processo inverso, qualquer alteração na impedância na base do transistor
será refletido no emissor, dividindo-se o valor da impedância total da base por
Fig. 03
A análise dos fatos acima expostos nos leva a conclusão de que o circuito seguidor de
emissor é casador de impedâncias ativas. No projeto deste circuito, especial cuidado deve
ser dado na escolha do resistor do emissor (Re), o do transistor, bem como deve ser
considerada a impedância de entrada do estagio seguinte.
Nesta etapa do nosso estudo cabe aqui uma observação. Nosso curso destina-se à
formação de um Técnico de Eletrônica, que na verdade nunca necessitará realizar um
projeto para executar a reparação de um equipamento de rádio ou Tv`s. Estamos
apresentando todas essas considerações teóricas unicamente para que o aluno tenha uma
noção dos aspectos que envolvem a operação de um transistor como elemento amplificador,
deste modo melhorando a sua compreensão do funcionamento destes importantes
dispositivos semicondutores.
LIMITAÇÕES EM FREQUÊNCIA
Os circuitos de emissor comum e seguidor funcionam muito bem nas frequências
baixas, de áudio-frequência, mas a medida que a frequência sobe, o surgimento de alguns
efeitos atrapalha o funcionamento do transistor como elemento amplificador.
Um dos fatores que limitam a resposta em alta frequência de um transistor é o atraso
da resposta da corrente de coletor depois que um sinal é aplicado na junção base emissor do
transistor. Este atraso existe em função do tempo de transito dos portadores majoritários de
correntes através do cristal, e do mecanismo para vencer a barreira de depleção na junção
do coletor do transistor. Como regra geral, há uma diminuição do ganho à medida em que a
frequência sobe.
Outro fator que limita a operação de um transistor em alta frequência é a capacitância
entra base e coletor do transistor. A região de depleção atua como um dielétrico, enquanto
que nas regiões da base e do coletor atuam como as armaduras de um capacitor.
Fig. 04
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Esta capacitância varia de transistor para transistor, mas apresentam valores típicos
entre 5 e 50 pico-farady. Esse efeito capacitivo age como uma passagem para as altas
frequências, causando a diminuição da saída do amplificador quando a frequência aumenta.
Com o aumento da tensão da fonte de alimentação, podemos deduzir o tempo de
transito dos portadores de corrente pelo transistor, reduzindo o atraso da resposta da
corrente de coletor. O aumento da potencial de alimentação também provoca um aumento na
região de depleção do coletor, o que equivale a afastar as placas do capacitor, de modo que
a capacitância entre a junção base coletor diminua. De qualquer modo, este processo é
muito limitado sendo a resposta em frequência dos circuitos emissor-comum e seguidor de
emissor muito pobre.
Fig. 05
Podemos citar, então, como características de um circuito coletor comum:
-
alta impedância de entrada;
baixa impedância de saída;
amplificação de corrente 10 a 100 vezes;
amplificação de tensão aproximadamente (=) um;
amplificação de potência de 10 a 100 vezes;
não há defasagem entre tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada.
Fig. 06
Sempre que é necessário um bom desempenho do transistor em altas frequências, ou
um grande ganho de tensão, o circuito de base comum é o mais indicado.
O sinal de entrada é aplicado no emissor, enquanto que sua saída é retirada do
coletor. No circuito de base comum, o ganho de corrente é menor do que um, a impedância
de entrada é muito baixa, fornece um bom ganho de tensão, e a impedância de saída é
bastante alta. Este circuito se presta muito bem também para fazer o casamento entre uma
baixa impedância e uma alta impedância.
As principais características de um circuito de base comum são:
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-
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baixa impedância de entrada;
alta impedância de saída;
amplificação de corrente aproximadamente (=) um;
amplificação de corrente 500 a 5.000 vezes;
amplificação de potência de 100 a 1.000 vezes;
não há defasagem entre tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada.
No quadro abaixo temos um resumo das características de cada configuração.
LIGAÇÃO
Amplificação de corrente
BASE COMUM
EMISSOR COMUM COLETOR COMUM
=1
Grande
Grande
Grande
Grande
= 1
Amplificação de potência
Média
A maior
A menor
Impedância de entrada
Baixa
Baixa
Alta
Alta
Alta
Baixa
Grade `a massa
Cátodo a massa
Placa à massa
A mesma
Invertida
A mesma
Amplificação de tensão
Impedância de saída
Semelhança com o tríodo
Fase ( entre tensão de saída
e entrada)
POLARIZAÇÃO
Polarização adequada para um Amplificador classe A transistorizado, não importando
a configuração, consiste de polarização inversa ao circuito coletor-base.
AMPLIFICADOR DE BASE COMUM
Para que se possa operar o circuito base comum com uma única bateria precisamos
de um circuito divisor de tensão ( figura 7 ).
A polarização coletor-base é dada diretamente pela bateria no circuito coletor-base.
Como o transistor da figura 7 é tipo PNP, a polarização direta do circuito emissor-base requer
que o emissor seja positivo em relação à base. Chegamos a esta condição através do divisor
de tensão formado pelas resistências R3 e R4. A corrente eletrônica ( I ) que vem da bateria
e passa pelo divisor de tensão tem o sentido mostrado na figura.
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Este fluxo de corrente causa uma queda de tensão em R3, com a polaridade indicada
na figura 7. Esta queda de tensão deixa o emissor a um potencial positivo em relação à base.
Se usássemos um transistor NPN, a bateria teria que ser invertida.
Fig. 07
Fig. 08
Podemos polarizar também o amplificador coletor comum com uma única bateria ( fig.
8 ). A polarização inversa de junção base-coletor é estabelecida diretamente pela bateria. A
polarização direta da junção base-emissor depende da estrutura interna do transistor.
AMPLIFICADOR EMISSOR COMUM
O amplificador emissor comum também pode ser polarizado com uma única bateria (
figura 9). A bateria produz diretamente a polarização inversa necessária ao circuito coletorbase. A tensão direta de polarização para a junção emissor-base é conseguida através do
divisor de tensão R1 e R2.
Fig. 09
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TÉCNICAS DE POLARIZAÇÃO
O método a seguir descrito está baseado no boletim técnico informativo da ICOTRON
de outubro de 1975 e pode ser utilizado na maioria das aplicações, já levando em conta as
variações de Vbe e de com a temperatura. Tudo o que o aluno precisa saber é da lei de
ohm e se o transistor é de silício ou de germânio. Todas considerações feitas a seguir são
baseadas no seguinte:
a) que os transistores utilizados têm corrente de fuga ( Ico ) desprezível.
b) que o ganho de corrente (
dos transistores seja no mínimo de 100, o que faz
com que a corrente de base seja tão pequena, comparada com a corrente de
coletor, que podemos desprezá-la.
c) Que a corrente de coletor seja igual à corrente de emissor.
Na maioria dos transistores de silício atuais, estas condições são normalmente
verdadeiras.
A configuração do nosso circuito será emissor comum, o mais utilizado como elemento
amplificador. Figura 10.
Fig. 10
A nossa tarefa consiste, então, em determinar os valores de Rc, Re, Rb1 e Rb2, o que
será feito em várias etapas:
1ª DETERMINAR A CORRENTE DE COLETOR ( IGUAL À CORRENTE DE
EMISSOR )
A corrente de coletor é determinada pela carga, ou a partir das folhas de
especificações do transistor. Se o amplificador é alimentado com pilhas, a corrente de coletor
escolhida deve ser de valor suficientemente baixo para prolongar a duração das mesmas.
A corrente de coletor para estágios amplificadores de pequenos sinais é na ordem de
0,1 mA. À medida em que o sinal aumenta a sua intensidade, o estagio amplificador deve ter
uma Ic maior. Para sinais de intensidade média, valores típicos de Ic se situam em torno de 1
a 10 mA.
2ª DETERMINAR A TENSÃO DA FONTE DE ALIMENTAÇÃO
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Geralmente temos que trabalhar com as tensões disponíveis, dependendo da bateria,
etc.. Vamos trabalhar no nosso exemplo com uma tensão de 4,5V, que pode ser conseguida
com três pilhas em série.
3ª CÁLCULO DA Re:
Para o cálculo da Re, devemos considerar que 10% da tensão da fonte de
alimentação caia sobre Re. Dessa maneira, Re, pode ser calculada pela seguinte fórmula:
4ª CÁLCULO DA TENSÃO DE BASE: Vb
O cálculo desta tensão depende do tipo de transistor utilizando, se é de silício ou de
germânio. A tensão Vbe dos transistores de silício é em torno de 0,6 V e para transistores de
germânio é na ordem de 0,2V. A tensão Vb será a soma de Vbe com a tensão no emissor do
transistor, que já definimos ser 10% de Vcc ( no caso, 0,45V ). Nosso transistor é de silício.
5ª DETERMINAR A Ip
Um bom resultado é considerar a Ip, corrente de polarização que circula por Rb1 e
Eb2, 10% da corrente de coletor ( Ic ).
6ª CÁLCULO DE Rb2
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7ª CÁLCULO DE Rb1
8ª DETERMINAÇÃO DA TENSÃO DE COLETOR
Com exceção do circuito seguidor de emissor, a tensão de saída é sempre retirada do
coletor. Um bom resultado é conseguido se considerarmos a tensão Vc como sendo 50% da
tensão da fonte de alimentação.
9ª CÁLCULO DE Rc
Já conhecemos Ic e Vc, logo é calculado pela formula:
OBS: Os resistores de carbono encontrado no mercado são feitos para determinar
valores padronizados. Normalmente vamos encontrar no mercado resistores com os
seguintes valores ( em ohms ):
TABELA DE VALORES DE RESISTORES EXISTENTES NO MERCADO
1,0
1,2
1,5
1,8
2,0
2,7
3,3
3,9
4,7
5,6
6,8
8,2
Os valores dos resistores acima podem ser multiplicados por 1, 10, 100, 1.000,
10.000, 100.000, para se encontrar o valor desejado.
Por esta razão, os valores de resistores calculados para o nosso estágio amplificador
devem ser modificados para valores próximos daqueles normalmente existentes.
Normalmente, diferenças de 10% entre o valor calculado e o valor utilizado são muito bem
tolerados.
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Para resistor de emissor, havíamos calculado 450 mas este resistor não é
encontrado comercialmente. Encontramos 390 e 470 O valor mais próximo do
calculado
Para Rb2, o cálculo foi de 10.500 Os valores de resistor comercialmente existentes
são de 10.000 e 12.000 vamos usar 10.000 Para Rb1, pelo mesmo motivo, o valor de
resistor a ser usado é de 33.000 , e para Rc, o valor mais próximo comercialmente é
22.000
O aluno não deve se surpreender muito com isso e deve, e deve desde já, Ter em
mente que a tolerância de 10 a 20%, em alguns casos, é perfeitamente satisfatória, não
comprometendo o desempenho do circuito, a não ser equipamentos em que a precisão é um
fator essencial, como os instrumentos eletrônicos de medidas, etc..
ESTABILIZAÇÃO DE POLARIZAÇÃO
A corrente de fuga é provocada pelos portadores minoritários que atravessam a junção e aumentam com a temperatura.
A corrente de fuga chamada de Iceo, circula entre coletor e base com o emissor
aberto.
A corrente de fuga chamada de Iceo é aquela que circula entre coletor e emissor com
a base aberta, e pode ser calculada em função da Ico e do do transistor. No circuito da
Figura 11, a Ico necessita passar através da junção do emissor para completar o circuito.
Neste caso, a própria capacidade de amplificação do transistor faz com que esta corrente de
fuga seja amplificada. É por esta razão que a corrente de fuga entre coletor e emissor com a
base aberta é ( + 1 ) multiplicado pela corrente Ico.
Vamos supor que a Ico de um transistor seja 10 A e o seu
= 19. O efeito da
amplificação de Ico será de 190 A que deve ser somado à Ico. A corrente total de 200 A
resultará da fuga de 10 A. E observe que quanto maior for o do transistor, maior será a
fuga total do mesmo, resultando numa corrente de coletor maior, gerando um maior
aquecimento, que por sua vez tende a aumentar a corrente de fuga. Esse processo pode
continuar até a destruição do transistor ou até que o mesmo atinja a máxima corrente
permitida pelos resistores externos ( Rc e Re ), mas o transistor vai ficar impossibilitado,
nesta situação, de operar como elemento amplificador.
Fig. 11
ELETRÔNICA - Transistores - Configurações
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Se nós conseguirmos desviar parte da Ico pelo circuito da base, de modo que não seja
necessário circular pela junção do emissor, iremos minimizar muito o efeito acima estudado.
Se acrescentarmos um resistor da base para a massa, tendo um valor adequado,
boa parte da Ico vai circular por esse resistor. Vamos desenhar como ficaria o circuito, com
este resistor, se o mesmo tivesse o valor de 1K Vamos supor também que o resistor do
emissor seja de 1K e que a impedância de entrada do transistor seja de 20K ( o
continua sendo 19, figura 12 ).
Como a impedância de entrada ( ocasionada pelo efeito provocado pelo Re no circuito
do emissor de 1K ) é de 20K a Ico vai se dividir, circulando quase que totalmente na Rb2,
e somente uma parcela da Ico circulará pelo emissor do transistor, evitando desse modo a
amplificação total da corrente de fuga. Já estudamos que a corrente sempre procura o menor
caminho para circular. Desse modo, apenas 1/21 de 10
passará pela junção do emissor,
resultando uma corrente amplificada de apenas 9 A, muito menor do que a corrente de
190 A originalmente. A corrente total de fuga no coleto será agora de 19 A, permitindo ao
transistor suportar muito mais calor sem afetar muito o seu desempenho como amplificador.
(A corrente de 19 A se refere ao seguinte: 10 A da corrente de Ico, mais a parcela
amplificada de Ico que passa pelo emissor de 9 A, totalizando os 19 A).
Fig. 12
No circuito da figura 12, a estabilização da fuga vai ser grande, as correntes de
polarização também estarão estabilizadas, mas se perderá um pouco do ganho de tesão.
Mas os projetistas conseguem encontrar a melhor relação entre a estabilização necessária e
o ganho adequado.
ACOPLAMENTO ENTRE ESTÁGIOS
O acoplamento entre dois estágios transistorizados, ou seja, o processo de como
transferir o sinal de um estágio para o outro será assunto destas próximas linhas.
Na transferência do sinal, a impedância de entrada deve ser a mesma da fonte do
sinal, para uma boa eficiência. Logicamente, a impedância de saída do estágio deve ser
casada com a impedância do estágio seguinte. Além do casamento deve evitar a passagem
da corrente DC de um estágio para o outro.
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ACOPLAMENTO A TRANSFORMADOR
Um método de acoplamento entre estágios muito empregado é usando
transformadores. O primário do transformador funciona como carga de saída. O secundário
funciona como fonte de sinal par o estágio seguinte. A razão entre espiras do primário e do
secundário faz o casamento da impedância; o isolamento elétrico entre enrolamentos do
transformador evita a passagem de corrente de polarização de um estágio a outro, mas é
necessário evitar que o enrolamento secundário do transformador desvie a corrente de
polarização da base. Isto pode ser feito com o uso de um capacitor em série com o
enrolamento secundário, que permite apenas a passagem das correntes alternadas, evitando
a passagem das correntes continuas (como Mostrado na figura 13)
Fig. 13
Os transformadores de acoplamento são utilizados inclusive em rádio-frequências
(RF). Um exemplo são os transformadores de FI ( frequência intermediária ) utilizado nos
receptores. Nestes transformadores, o núcleo de ferro laminado é substituído por um núcleo
de ferrete, o mesmo de ar, para um melhor rendimento.
ACOPLAMENTO A CAPACITOR E RESISTOR
Um outro método para transferir o sinal de um estágio para o outro é com o uso de um
capacitor e resistor no lugar do transformador. É uma solução bem mais barata e muito
empregada em amplificadores de áudio-frequência. (Figura 14).
Fig. 14
ELETRÔNICA - Transistores - Configurações
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A carga no coletor de T1 é um resistor fixo ( Rc). As variações da corrente no coletor
do transistor, em função do sinal aplicado na base de T1, produzem uma variação na tensão
em Rc. O capacitor de acoplamento ( Ca ) transferirá estas variações para a base de T2, ao
mesmo tempo que evita que a polarização DC de um estágio interfira no outro. Normalmente
o capacitor de acoplamento ( CA ) é do tipo eletrolítico, pequeno, com valor de capacitância
que pode variar em função das impedâncias do circuito. Apresentamos como um valor típico
de capacitância para acoplamento o valor de 20 F. Para um bom casamento de
impedâncias, o projetista procura utilizar um valor de resistor de coletor o mais baixo
possível, e procura aumentar a impedância de entrada do estágio seguinte, geralmente com
a seleção de adequado valor de Re. ( resistor no emissor).
O uso de resistor-capacitor para acoplar sinais implica numa redução do ganho de
tenção, mais tem a grande vantagem da simplicidade, além de proporcionar um circuito
bastante estável.
ACOPLAMENTO DIRETO
Se for retirado o capacitor de acoplamento do circuito estudado acima, os estágios
estarão ligados diretamente um no outro. Este tipo de circuito sem capacitor de acoplamento
melhora a resposta para as frequências baixas ( Lembre-se de que a oposição oferecida a
corrente por um capacitor depende da frequência; à medida que a frequência diminui, a
oposição oferecida pelo capacitor aumenta e uma menor quantidade da corrente é acoplada
ao estágio seguinte ).
Não existe isolação entre os estágios, de modo que o cálculo das correntes de
polarização é feito de tal maneira que haja compatibilidade da operação DC de um estágio
com o outro. ( Figura 15).
Fig. 15