Aula 00 - Modelos para Circuitos CA

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Modelos para Circuitos CA
Eletrônica Analógica II
Aula 00
Prof. Me. Ariomar
Uma vez polarizado o transistor, pode-se aplicar uma tensão alternada na base e com isso obter uma tensão mais elevada no coletor.
Modelo para circuito CA
Portanto, a finalidade é a AMPLIFICAÇÃO DO SINAL.
Em um resistor, quando a frequência aumenta a passagem de corrente não é alterada.
Em um capacitor isso é diferente, pois com o aumento da frequência a oposição à passagem de corrente diminui.
Modelo para circuito CA
Capacitor de Acoplamento
Uso dos capacitores nos circuitos amplificadores
Usados para acoplar ou transmitir os sinais CA de um circuito para outro.
Usados para desviar ou curto-circuitar os sinais CA para o terra.
Ambos dependem da REATÂNCIA CAPACITIVA
Reatância Capacitiva
Inversamente proporcional à frequência e à capacitância.
Exemplo: Se dobrarmos a frequência, a reatância cairá pela metade.
Em altas frequências a reatância se aproxima de 0 (zero).
Isso significa que o capacitor opera como um curto para os sinais CA.
Em baixas frequências a reatância tende ao infinito.
Isso significa que o capacitor é um circuito aberto.
Capacitor de Acoplamento
Um capacitor de acoplamento transmite uma tensão CA de um ponto para outro.
Sinal de CA está passando de maneira correta de um lado para o outro
Qual a corrente?
Depende da frequência da tensão do gerador.
Em baixas frequências, o capacitor atua como um circuito aberto e a corrente é próxima de zero.
Em altas frequências o capacitor age como um curto e a corrente é igual a:
O Funcionamento do capacitor
O capacitor para funcionar corretamente deve operar como um curto para a menor frequência de operação da fonte.
Exemplo:
Se a frequência do gerador variar de 20 Hz – 20 KHz, então o capacitor deve ser dimensionado para operar como um curto na frequência de 20 Hz. 
Regra Geral
A reatância capacitiva deve ser no mínimo 10 vezes menor que a resistência total em série com o capacitor.
Matematicamente:
Frequência Crítica
Frequência onde a reatância do capacitor é igual a resistência total.
Mas o que caracteriza uma frequência ALTA?
Até agora vimos que um capacitor de acoplamento age como um curto em altas frequências.
Regra Geral
Pela regra geral da reatância capacitiva de 10:1 da resistência total.
Tem-se que a frequência é alta quando ela é 10 vezes maior que a frequência crítica.
Logo, dado um circuito RC, pode-se calcular a frequência crítica e em seguida multiplica-la por 10 para obter a chamada frequência alta ou frequência de quina.
Exemplo:
Determine a corrente máxima e a frequência de quina do circuito.
Enquanto o gerador mantiver a frequência acima de 3,18 Hz, o capacitor atua como um curto para os sinais CA.
Exemplo: Para um gerador se áudio de 20 Hz a 20 kHz, o capacitor funcionará como um curto
Capacitor de desvio (Bypass)
Se conectarmos o capacitor de acoplamento em paralelo com a resistência de carga ao invés de conecta-lo em série, podemos criar um desvio quando a frequência for suficientemente alta.
Portanto, não vai passar corrente na carga RL.
Como calcular essa frequência alta?
Para determinar o que vem a ser uma frequência alta, podemos usar o teorema de Thevenin e a equação da frequência crítica, previamente já apresentada.
Quando a frequência do gerador for igual ou maior que esse valor, o capacitor de desvio agirá como um curto e o ponto A será aterrado para sinais CA.
Exemplo:
Calcule a frequência de quina para o circuito abaixo:
O terra para CA atua um pouco diferente do terra mecânico, no qual o ponto diretamente conectado com o terra.
No terra para CA, ele é projetado com um capacitor de desvio e somente atua para frequências altas, fazendo com que o circuito opere normalmente para baixas frequências.
19,9 Hz
Assim o sinal CA fica aterrado
Teorema da Superposição nos Amplificadores
VCC => tensão de alimentação que estabelece o ponto Q do transistor;
VG => Tensão CA do gerador;
C1 => Capacitor de acoplamento do gerador na base;
C2 => Capacitor de acoplamento do coletor na carga;
CE => Capacitor de desvio, desvia o sinal CA do emissor para o terra.
A corrente CC e a corrente CA, vão circular com uma SUPERPOSIÇÃO DE SINAIS.
Circuito Equivalente CC e CA
Para analisar o circuito deve-se dividi-lo em duas partes:
Análise em CC
Análise em CA
Teorema da superposição:
Você pode calcular os efeitos produzidos por cada fonte funcionando separadamente e depois somar os efeitos individuais para obter o efeito total.
Análise do Circuito
Os capacitores estão abertos para CC e em curto para CA.
Reduzimos a tensão na fonte CA para 0;
Abrimos os capacitores;
Analise o circuito equivalente (CC);
Reduzimos todas as fontes CC para 0;
Curto-circuitamos os capacitores;
Analisamos o circuito equivalente CA;
Some a corrente CC e a corrente CA para obter a corrente total;
Some as tensões CC e CA para obter a tensão total em qualquer nó, ou em qualquer resistor.
Exemplo
Primeiro:
Análise do circuito CC
Depois:
Análise do circuito CA
Exemplo
Reduzimos a tensão na fonte CA para 0;
Abrimos os capacitores;
Analise o circuito equivalente (CC).
Solução
Inicia-se pela corrente do Divisor de tensão;
1,1 mA
Em seguida a tensão na base;
O próximo passo é obter a tensão no emissor;
Calcule a tensão no coletor;
Como o Emissor está acima do potencial do terra, calcule VCE.
Solução
Resumindo
Exemplo
Reduzimos todas as fontes CC para 0;
Curto-circuitamos os capacitores;
Analise o circuito equivalente (CA).
Exemplo
Reduzimos todas as fontes CC para 0;
Curto-circuitamos os capacitores;
Analise o circuito equivalente (CA).
Exemplo
2,65kΩ
A tensão na base deve ser menor que 1 mV, pois existe um divisor de tensão dado pelas resistências de 600 Ω e 1,8 kΩ
Exercício
Duplique todas as resistências do circuito e verifique o que ocorre com o circuito equivalente CC e CA.
Exercício
Quadriplique todas as resistências do circuito e verifique o que ocorre com o circuito equivalente CC e CA.
Operação em pequeno sinal
O Ponto Q no diodo emissor
Quando se aumenta a corrente CC no emissor, o ponto Q se move para cima.
Se o transistor não é polarizado, o ponto Q encontra-se na origem
O Ponto Q e o ponto de operação instantâneo
Quando se aplica um sinal AC na base do transistor polarizado, o ponto de operação se move para cima e para baixo nas proximidades do ponto quiescente.
Esse ponto é denominado PONTO DE OPERAÇÃO INSTANTÂNEO
O Ponto Q no Diodo Emissor
Ponto Q se move para o ponto mais alto quando a tensão CA atinge o pico positivo.
Ponto Q se move para o ponto mais baixo quando a tensão CA atinge o pico negativo.
A tensão base-emissor é dada pela soma da tensão CC mais uma tensão CA.
Corrente CA no emissor
A tensão na base produz uma corrente CA na corrente do emissor.
Aqui o semiciclo positivo está mais alongado do que o semiciclo negativo.
Apesar de que isso não ocorre no sinal de entrada na tensão que eu estou aplicado no sinal de entrada da base emissor.
Distorção
A corrente CA no emissor tem a mesma frequência que a tensão na base.
A corrente no emissor também tem a mesma forma da tensão na base, ou seja, se a tensão for senoidal a corrente também será.
No entanto, como o gráfico da corrente pela tensão do diodo emissor não é uma reta, ocorrem distorções:
Como por exemplo, um alongamento do semicírculo positivo.
Redução da Distorção
Importante observar que para reduzir a distorção do sinal, o sinal na base tem que ser o menor possível.
Com isso, a variação do ponto de operação instantâneo será pequena e o gráfico terá uma aparência linear.
Isso permite que as variações de corrente no emissor sejam proporcionais as variações da tensão na base.
Regra dos 10% - Amplificador de pequeno sinal
Um sinal é considerado pequeno o suficiente para evitar a distorção, quando a corrente CA (Pico a pico) no emissor, for menor que 10% da corrente CC do emissor.
Se um amplificador com transistor tem uma corrente de emissor de 10 mA e sabemosque ele está operando como um amplificador de pequeno sinal, qual a corrente CA do emissor?
Exemplo
Resposta:
A corrente CA no emissor deve ser menor que 1 mA.
Resistência CA do diodo emissor
A resistência CA é definida como a tensão CA aplicada em um componente dividida pela corrente CA que circula por ele.
Resistência CA do diodo emissor
Suponha que a tensão CA de 1 mV, produza uma corrente CA de 40 μA no emissor. Então a resistência CA do diodo emissor é dada por:
Exemplo
Regra prática
Por regra, a resistência CA de todos os transistores varia conforme a temperatura de operação.
Para 25ºC a resistência varia entre:
Um circuito com polarização por divisor de tensão tem uma tensão de emissor de 2 V e um resistor de emissor de 4,7kΩ. Qual é a resistência CA do diodo emissor?
Exemplo
Primeiro obtemos a corrente CC no emissor:
Depois utilizamos a regra do resistor CA para o diodo emissor:
Com relação ao circuito
Com base neste circuito, calculamos a resistência CA.
Essa resistência relaciona a tensão de pico a pico e a corrente CA.
Ganho de corrente CC
A razão entre a corrente no coletor e a corrente de base.
Ganho de corrente CA
O ganho da corrente CA é definido como a corrente CA do coletor dividido pela corrente CA da base.
Esse ganho é indicado nos datasheets por: hfe
Amplificador Emissor-Comum
Observe que o emissor está com aterramento para CA
A tensão do gerador é acoplada por meio de um capacitor de entrada na base do transistor.
A tensão CA na base é menor que a tensão do gerador porque existe uma queda de tensão no resistor de 600Ω.
Como o emissor está aterrado para CA, toda tensão CA da base correspondente no emissor.
Por causa dessa tensão CA, existe uma corrente CA correspondente no emissor.
Acoplamento de Entrada
Amplificador Emissor-Comum
A corrente CA no coletor é praticamente igual a corrente CA no emissor.
Quando a corrente CA do coletor circula pelo resistor do coletor ela produz uma tensão CA no coletor.
No semiciclo positivo da tensão de entrada, a corrente total no coletor é aumentada.
Logo, a tensão no resistor do coletor é maior.
Com isso, tem-se uma tensão menor no coletor, ou seja, uma inversão de 180º.
Inversão de Fase
Amplificador Emissor-Comum
Inversão de Fase
O Capacitor de saída
Como o capacitor é um curto para CA e está aberto para CC, somente a tensão CA do coletor é transmitida para a carga.
A impedância de Entrada de Base
Sabemos que a tensão na resistência do gerador depende do valor da resistência equivalente do divisor.
No entanto, o terminal da base do transistor também consome corrente da junção RG e R1 // R2.
Logo, a base atua como uma resistência.
vb e ib são valores de pico da corrente e tensão CA.
Se a tensão CA na base for de 1 mV e a corrente CA na base for de 0,4 μA, a resistência CA da base é de:
Exemplo
O transistor no exemplo pode ser visto como uma junção T, com a fonte de corrente na parte superior e uma resistência CA no emissor
Modelo T
Substitui o transistor por essa representação.
A tensão CA da base aparece sobre R1 em paralelo com R2.
Como r’e está em paralelo com R1 e R2, a tensão CA também está diretamente sobre ela.
Logo, a corrente CA do emissor é dada por:
Modelo T
Enquanto o transistor estiver na região ativa, a corrente no coletor será aproximadamente igual a corrente no emissor. E quando ela circula pela resistência CA do coletor, a tensão CA no coletor será dada por:
IMPORTANTE:
Toda Tensão CA aparece no EMISSOR
No modelo T, a impedância da base é vista dentro da base:
Modelo II
No entanto, sabemos que:
Logo:
Mas como:
Teremos que:
O modelo II, enxergar esse transistor basicamente como duas malhas interligadas em paralelo com essa resistência CA, que é decorrente dos resistores R1 e R2 (do divisor de tensão) teremos a resistência da base que é calculada (βr’E). E isso vai induzir uma corrente no coletor, uma corrente CA, passando a ser enxergada como uma fonte de corrente CA, que vai ser aplicada no circuito onde a resistência da carga está em paralelo com a resistência do coletor, já que o sinal CA vai enxergar esses dois resistores, diferente do sinal CC, pois o capacitor de acoplamento impede sinal CC de enxergar a resistência do coletor.
Modelo II
Determine a resistência CA equivalente no circuito:
Exemplo
Solução
Essa resistência está em paralelo com os dois resistores de polarização R1 e R2.
Os valores de β e r’e não são encontrados nas folhas de dados dos transistores, mas apresentam as seguintes informações:
Parâmetros do Datasheet