Eletronica_1 7 - Livro

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ELETRÔNICA I
Maikon Lucian Lenz
Modelo de grandes sinais 
para o transistor bipolar
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
  Caracterizar o modelo de grandes sinais para transistores bipolares.
  Definir a operação do transistor bipolar com grande sinal.
  Analisar a reta de carga do transistor bipolar para o modelo de grandes 
sinais.
Introdução
A estrutura do circuito amplificador é a mesma tanto em amplificadores 
de pequenos sinais quanto nos de grandes sinais — o de pequenos sinais 
serve para a elevação da tensão do sinal, permitindo que estágios de 
grande sinal forneçam corrente e potência para a carga. A reta de carga 
de corrente contínua (CC) utilizada para a polarização não será mais a 
única a ser considerada, uma vez que há uma divergência entre a reta 
de carga CA (corrente alternada) e CC. Com o circuito otimizado para 
ampliar a potência do sinal, a tendência é utilizar toda a capacidade de 
operação do transistor e, portanto, toda a reta de carga. Em pequenos 
sinais, mudanças singelas no ponto de operação têm pouca relevância 
ou pouco efeito sobre o sinal de saída. No caso dos amplificadores de 
grandes sinais, por outro lado, deve-se zelar pelo ótimo posicionamento 
do ponto de operação, a fim de evitar o ceifamento de partes do sinal, 
seja pela saturação, seja pelo corte.
Neste capítulo, você vai aprender a calcular e esboçar ambas as retas 
de carga (CC e CA) e conhecer as classes de amplificadores existentes, 
assim como vantagens e desvantagens de cada um. Ao final, você será 
capaz de projetar estágios de amplificação de potência com qualidade.
Modelo de grandes sinais
Os amplifi cadores são divididos em amplifi cadores de pequenos sinais e de 
grandes sinais. Não há qualquer diferença técnica entre eles, mas entende-se 
que, em estágios iniciais, há um foco maior no ganho de tensão. Assim, devido 
à baixa amplitude dos sinais envolvidos, convencionou-se chamar esses de 
amplifi cadores de pequenos sinais. Os amplifi cadores de grandes sinais, por 
sua vez, devem ter um ganho considerável de corrente, que resulte em ganho 
de potência elevado (SCHULER, 2013).
Um amplificador sempre produzirá ganho de potência, às vezes com ganho 
de tensão e corrente, em outras apenas com ganho de uma delas — mesmo 
assim, sempre existirá algum ganho de potência ao final (SCHULER, 2013).
A eficiência de um amplificador é medida por meio da comparação da 
potência oferecida no sinal de saída com a potência fornecida pela fonte con-
tínua que alimenta o amplificador.
O rendimento de um amplificador sistemas de potência elevada é espe-
cialmente importante, não só por uma limitação de fonte de alimentação, mas 
pelo aquecimento excessivo gerado, que poderá demandar o uso de técnicas 
de resfriamento (SCHULER, 2013).
Você já deve saber que, para que se possa aproveitar os sinais de entrada 
negativos, o transistor deve ser polarizado. Assim, ele deverá se manter con-
tinuamente em uma posição de operação média, que lhe permitirá aproveitar 
ao máximo o acréscimo do sinal de entrada tanto no sentido positivo quanto 
no negativo, sem risco de atingir os pontos de saturação ou de corte. No 
entanto, repare que, uma vez estando o transistor permanentemente em um 
ponto médio de condução, ele estará consumindo energia, mesmo não havendo 
sinal de entrada. Nesse caso, não haverá qualquer sinal na saída, dependendo 
do tipo de acoplamento, se este for capaz de filtrar sinais de baixa frequência 
ou contínuos. Ainda assim, o transistor estará consumindo muita potência 
apenas para se manter no ponto adequado de operação.
Os amplificadores também podem ser classificados por esse ponto de 
operação. Aqueles que aproveitam todo o sinal de entrada, conforme demons-
Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar2
trado na Figura 1, mas oferecem grande consumo de energia apenas para a 
manutenção da polarização são ditos amplificadores classe A (MALVINO; 
BATES, 2011). Essa é a classe que utilizada até o momento.
Figura 1. Ponto de operação dos amplificadores classe A.
Fonte: Adaptada de Schuler (2013).
Os amplificadores classe B não possuem polarização da base do transistor 
e, nesse caso, não havendo sinal de entrada, o transistor permanecerá na região 
3Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar
de corte (Figura 2). Tal condição não prejudicará os sinais positivos de entrada, 
mas impedirá completamente os negativos, já que o transistor NPN precisa 
de uma diferença de potencial positiva entre base e emissor para conduzir. 
Para um transistor PNP, o sinal a ser ceifado seria o positivo, uma vez que 
esse transistor só conduz se houver uma diferença de potencial negativa entre 
base e emissor (SCHULER, 2013).
Figura 2. Ponto de operação dos amplificadores classe B.
Fonte: Adaptada de Schuler (2013).
Na classe B, há um rendimento melhor. Em contrapartida, o sinal de entrada 
não é totalmente aproveitado, causando distorções. Uma saída para contornar 
essa limitação é utilizar dois transistores no estágio de amplificação: um NPN 
e outro PNP (Figura 3). Assim, haveria menor distorção, por aproveitar ambas 
as polaridades de sinal. Todavia, o sinal ainda não seria completo, devido à 
queda de tensão do diodo emissor em cada transistor.
Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar4
Figura 3. Ponto de operação dos amplificadores classe B push-pull.
Fonte: Adaptada de Schuler (2013).
Existem as classes de operação AB, C e D. As duas primeiras tratam de 
alterações no método de polarização, enquanto a classe D refere-se a um 
circuito de modulação por largura de pulso — um mecanismo diferente de 
operação (SCHULER, 2013).
O ponto a destacar aqui é a variação no rendimento decorrente da polariza-
ção e o impacto desse rendimento em amplificadores de grandes sinais. Para 
pequenos sinais, o desperdício muitas vezes não representa um problema, já 
que o sinal de saída ainda é um sinal de pequena intensidade, apesar de ser 
consideravelmente maior que o da entrada.
Sinais de rádio e televisão costumam ter amplitude extremamente baixa e necessitam 
de amplificação serem utilizados. Os primeiros estágios pretendem elevar a tensão 
para melhorar o aproveitamento da reta de carga. Porém, as cargas utilizadas na saída 
nesse tipo de sistema possuem impedância baixa, o que demanda corrente elevada 
do circuito amplificador (MALVINO; BATES, 2016).
5Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar
Operação com grande sinal
A operação com grande sinal difere da de pequeno sinal pelo uso da reta de 
carga do elemento amplifi cador (transistor). Em pequenos sinais, menos de 
10% da região costuma ser utilizada; para grandes sinais, por outro lado, a 
tendência é utilizar a reta de carga como um todo (MALVINO; BATES, 2016).
Se o posicionamento do ponto de operação na reta de carga de pequeno 
sinal não é crítico, devido à grande margem inutilizada, na reta de carga de 
grande sinal esse ponto deve estar localizado exatamente na metade, a fim de 
evitar qualquer corte de sinal.
Para que toda a reta de carga seja aproveitada, o ponto de operação deverá 
estar situado no meio da reta. Se o ponto estiver acima, a tensão de saída não 
atingirá o máximo do pico positivo, sendo cortada devido ao limite de satu-
ração do transistor. Se o ponto estiver abaixo, a tensão de saída não atingirá 
o pico negativo, sendo ceifada pela não condução do transistor ou pelo ponto 
de corte. Ambos os ceifamentos distorcem o sinal e devem ser evitados para 
grande parte das aplicações.
Potência
A potência do circuito também pode ser dividida em potência de saída, consti-
tuída pelo sinal CA, e pela potência de alimentação CC que polariza o transistor 
(MALVINO; BATES, 2016):
Pode-se, ainda, utilizar a lei de Ohm para eliminar a necessidade de se 
calcular a corrente:
Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar6
Para a saída CA, a potência deve considerar a tensão eficaz, sendo essa 
relação com a tensão de picoa pico:
A potência CC dissipada pelo transistor é uma função da corrente e tensão 
quiescente:
Porém, essa não é a única potência da alimentação contínua consumida. 
Há também um consumo por parte do circuito de polarização:
Assim, a potência CC total será:
Ou, ainda:
7Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar
Sendo a corrente contínua total a soma da corrente de polarização e da 
corrente quiescente:
Assim como há uma potência consumida pelos resistores ligados ao terminal emissor 
e ao terminal coletor, determinados pela corrente que os atravessa, também há a 
mesma corrente ao atravessar o transistor. Esta depende de um esforço possível, 
graças à tensão quiescente VCEQ.
A reta de carga em grandes sinais
No caso dos amplifi cadores, existem na verdade duas retas de cargas sobre-
postas: uma reta de carga para CC e uma para CA. Ambas as retas de cargas 
são esboçadas calculando-se a corrente de saturação e a tensão de corte, com 
base na confi guração do amplifi cador. Na reta de carga CC:
onde:
  VCC é a tensão contínua de alimentação;
  RC é o resistor do coletor;
  RE é o resistor do emissor.
Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar8
A Figura 4 mostra o esboço da reta de carga CC já com o ponto de operação, 
também conhecido como ponto quiescente (Q), posicionado ao centro da reta 
de carga.
Figura 4. Amplificador do tipo emissor comum e a reta de carga CC.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 379).
Repare que, no modelo CA do amplificador do tipo emissor comum 
(Figura 5), o resistor do terminal emissor RE não é considerado, já que o 
capacitor em paralelo a ele se comporta como um terra virtual para o sinal 
CA. Também os resistores RC e RL estarão em paralelo, uma vez que o terminal 
+VCC, de alimentação contínua, também será um terra virtual. O equivalente
dessa ligação aparece no modelo CA apenas como rc.
Figura 5. Equivalente CA de um amplificador emissor comum e a reta de carga CC e CA.
Fonte: Malvino e Bates (2016, p. 381).
9Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar
Não existindo o resistor RE e sendo rc menor que RC, o resultado implicará 
em uma corrente de saturação maior (MALVINO; BATES, 2016).
A tensão de corte também é alterada e não há mais alimentação contínua 
(para o circuito CA). Então, como ficarão os pontos de corte e saturação da 
reta de carga em CA?
A partir da Lei das Malhas de Kirchoff, obtém-se a equação:
onde:
  vce é tensão CA entre coletor e emissor do transistor;
  vrc é tensão no resistor rc.
A tensão no resistor rc pode ser substituída pela Lei de Ohm:
Assim, é possível agora isolar a corrente CA no coletor:
Há, ainda, outra relação para a corrente CA no terminal coletor: a diferença 
entre a corrente total e a corrente de polarização CC. Veja a equação:
onde:
  IC é corrente total;
  ICQ é corrente de polarização CC.
O mesmo é válido para a tensão CA:
onde:
  VCE é tensão total coletor–emissor;
  VCEQ é tensão CC coletor–emissor.
Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar10
Substituindo, temos:
A equação acima é chamada de equação da reta de carga CA. Durante 
a saturação, a tensão entre os terminais coletor e emissor será nula, já que 
toda a tensão estará sendo utilizada pela carga — nesse caso rc (MALVINO; 
BATES, 2016). Dessa forma, a equação será:
Já durante o corte, a corrente no terminal coletor será nula. Assim, pode-se 
partir da equação abaixo para encontrar a tensão de corte:
A Lei de Ohm pode ser novamente utilizada, já que o resistor não se altera 
entre CC e CA:
Sendo a corrente nula na condição de corte:
11Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar
A corrente de saturação obedece a fórmula a seguir:
Haverá uma redução na tensão de pico a pico, devido ao aumento na incli-
nação da reta de carga CA, se comparada com a reta de carga CC. Isso resultará 
sempre em uma tensão de pico a pico menor que a tensão de alimentação VCC 
(MALVINO; BATES, 2016).
Como o objetivo de amplificadores de grande sinal é utilizar toda a reta de 
carga, e para tanto é necessário que o ponto de operação esteja centralizado, 
pode-se afirmar que a tensão acima e abaixo do ponto de operação são iguais. 
Portanto:
O rendimento de um amplificador depende não do sinal de entrada, mas do sinal de 
saída e da potência consumida pela fonte contínua responsável por fornecer a energia 
necessária à amplificação do sinal de entrada.
Para calcular o rendimento, portanto, deve-se determinar essas duas potências e 
a relação entre elas. Considere um sinal de saída de 30 Vpp para o circuito a seguir.
Modelo de grandes sinais para o transistor bipolar12
MALVINO, A.; BATES, D. Eletrônica: diodos, transistores e amplificadores. 7. ed. Porto 
Alegre: AMGH, 2011.
MALVINO, A.; BATES, D. J. Eletrônica. 8. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016. v. 1.
SCHULER, C. Eletrônica I. 7. ed. Porto Alegre: AMGH, 2013.
Leituras recomendadas
BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11. ed. São 
Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013.
NAHVI, M.; EDMINISTER, J. A. Circuitos elétricos. 5. ed. Porto Alegre: Bookman, 2014.
SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. 5. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2007.
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