Experimento - Amplificador de pequenos sinais com polarização por divisor de tensão do TBJ

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Experimento de Eletrônica Básica: Amplificador de pequenos sinais com polarização por divisor de tensão de um transistor TBJ
Ádria Rocha Corrêa (adria.correa@hotmail.com); Endrew Henrique Barreto (endrew_barreto@hotmail.com); Túlio Pereira de Souza (pstulio@hotmail.com).
UFOPA – IEG – PCT
Resumo – Este relatório aborda a amplificação de um pequeno sinal que é aplicado à base de um transistor TBJ, a análise é realizada para os níveis dc de corrente e também ac sobre o sinal de saída registrado.
INTRODUÇÃO
O transistor bipolar de Junção (TBJ) é empregado em circuitos amplificadores de sinais. Tendo seu princípio baseado no controle da corrente em um dos seus terminais, a resposta do circuito a um sinal de entrada depende da sua polarização.
Este relatório aborda o comportamento do circuito ao se aplicar um pequeno sinal ac de entrada à base de um transistor TBJ, estando este polarizado por divisor de tensão. O circuito já alimentado com uma corrente contínua, fornecerá no coletor um sinal de saída alternado. Dada a configuração, espera-se que este sinal de saída seja bem maior que o de entrada, caracterizando uma amplificação na tensão.
TEORIA
Para análise dos níveis dc, os efeitos dos capacitores são desconsiderados no circuito, por isso curto-circuitamos eles em nossa análise. Assim um circuito de amplificação de pequenos sinais mostrado abaixo:
Figura 1: Polarização por divisor de tensão de um TBJ para um circuito amplificador [1].
Assume a seguinte forma:
Figura 2: Circuito equivalente da Figura 1 para análise dc.
Observamos que a tensão no resistor é equivalente à tensão da fonte . Sendo , portanto, a tensão da fonte menos a perda de tensão no resistor :
 Em contrapartida, assume valor decorrente do divisor de tensão, dado a polarização do circuito. E é descrito por:
Note que a tensão aplicada sobre a base é a de Thevénin e a resistência equivalente também. Tornando possível redesenhar o circuito com a tensão e resistência equivalentes:
Figura 3: Circuito com equivalente de Thevénin aplicado na base, uma análise dc.
Traçando uma malha da base para o emissor, chegamos à seguinte equação pelas leis de Kirchhoff das tensões:
Percebemos também que:
MATERIAIS UTILIZADOS
Transistor 2n3904;
04 – Resistores, de , ,, ;
01 – Protoboard;
01 – Fonte de tensão;
01 – Osciloscópio;
01 – Gerador de funções;
01 – Multímetro.
PROCEDIMENTOS
Com os materiais citados arranjamos o circuito amplificador ilustrado na figura 04. O gerador de sinais é configurado para gerar um tipo de onda senoidal, de amplitude e frequência de . Constituindo um sinal de entrada alternado.
A fonte utilizada deve ser limitada para uma corrente de , ajusta-se para a mesma fornecer . O seu terminal positivo é conectado ao resistor de e ao de simultaneamente. A referência do circuito, onde pluga-se seu terminal negativo, pode ser arranjado em uma linha extrema (lateral) da protoboard.
O primeiro objetivo do experimento, é a análise dos níveis dc. Para isto, o gerador de sinais tem sua saída configurada para off. Após, são medidas com o multímetro: , e . Ressaltando que a medida é realizada diretamente entre o terminal e a referência do sistema.
Figura 4: Circuito amplificador de pequenos sinais montado para o experimento.
O próximo passo, é arranjar o osciloscópio no circuito de forma a registrar os sinais. O canal 1 é ligado na posição de da figura acima, sendo aterrado na referência do circuito. Aterrado assim também está o canal 2, que é ligado na posição de na mesma figura.
O gerador de sinais é posto em operação, e o osciloscópio registrará as duas ondas senoidais. Contudo o sinal de entrada tem escala pequena para o osciloscópio, sendo necessário configurá-lo para plotar a onda na escala de do seu écran, e além disto, para visualizar um sinal mais estável a opção de adquirir média deve ser selecionada.
Para averiguar a causa do ganho de tensão, depois de registrado a configuração anterior, remove-se o capacitor ligado ao terminal emissor. E repete-se o mesmo procedimento anterior para registrar os dados.
V. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Depois de montado o circuito da figura 4, partiu-se para a execução do experimento, sendo que a primeira etapa da experiência consistiu em analisar apenas a parte contínua do circuito, portanto nem o osciloscópio nem o gerador de sinais foram utilizados.
Então, depois de montado o circuito referido, alimentado com uma tensão de 12 V contínua, foi utilizado o multímetro, na função de medição de voltagem contínua, para verificar os valores de , e , os valores observados estão na tabela seguinte.
Tabela 1: Valores medidos
	 
	
	
	1, 96
	1,18
	4,96
Posteriormente as tensões em cada terminal do transistor foram calculadas, o objetivo é comparará-las com as medidas. Para calcular essas tensões foi realizada uma análise contínua do circuito.
O circuito da figura 2 tem um divisor de tensão na entrada, então podemos encontrar um equivalente de Thévenin para o mesmo, como na figura 3 (figura do divisor de tensão), onde a tensão de Thévenin () será a tensão no terminal de base. Aplicando a regra do divisor de tensão, conforme a equação 2, teremos:
A resistência de Thévenin será dada pela associação em paralelo de e :
Para calcular e pirimeiro calculou-se as correntes nos terminais. Traçando uma malha no circuito da figura 3 com seu equivalente de Thevénin, teremos da eq. 3:
Explicitando ,
De acordo com Boylestad (1998), o parâmetro varia, geralmente, entre 50 e 400 costumando ficar no meio dessa faixa, portanto para esse transistor, nesse caso, consideraremos , o que é corroborado por experimentos anteriores, onde variou em torno desse valor. Então teremos que será
Então
Agora com essas correntes podemos calcular e das equações 1 e 4 respectivamente:
e 
Com todos os valores obtidos, os mesmos foram sintetizados na tabela a seguir.
Tabela 2: Valores calculados
	 
	
	
	2,08 
	1,19
	4,98
Como pode-se verificar os valores calculados estão bem próximos dos medidos, o que atesta a verossimilhança dos dados obtidos.
Dando sequência ao experimento, partiu-se para se verificar a parte alternada do circuito, sendo que para isso foi conectado um gerador de sinais no circuito (conforme a figura 4) para fornecer um sinal de entrada senoidal. Além disso também foi adicionado o osciloscópio.
Primeiro analisou-se o circuito com a presença do capacitor de no emissor, sendo que a leitura do osciloscópio está na figura abaixo.
Figura 5: Sinal de entrada e saída, com o capacitor de 47 F
Através da figura 5 observa-se que o sinal de entrada (CH1, amarelo) tem uma amplitude de e o sinal de saída (CH2, verde) tem uma amplitude de , ou seja, houve uma amplificação do sinal, um ganho de tensão. Esse ganho de tensão (), é a razão entre a tensão de saída () e a tensão de entrada (), como estamos fazendo análise alternada, será a razão entre a amplitude do sinal de saída e a amplitude do sinal de entrada.
Percebe-se que houve um ganho considerável de tensão, e a razão para este ganho ser negativo é que o sinal de saída está invertido em relação ao de entrada, conforme observa-se na figura 5.
Dando continuidade ao experimento, retirou-se o resistor de do emissor, e observou-se no osciloscópio o comportamento dos sinais.
Figura 6: Sinais de entrada e saída, sem o capacitor de 47 F
Logo de início é possível perceber que houve um ganho de tensão, mas este ganho é bem menor que no caso anterior, pois a amplitude do sinal de saída não aumentou tanto quanto no caso anterior. De fato, a amplitude do sinal de entrada é e do sinal de saída é , então temos o seguinte ganho:
É importante observar que na figura 6 a amplitude do sinal de saída parece ser menor do que a do de entrada apenas porque os dois canais estão em escalas diferentes, mas no canto inferior direito é possível verificar as amplitudes dos sinais. O ganho é negativo pelo mesmo motivo já explicado anteriormente.
VII. CONCLUSÕESQuando analisou-se a parte alternada foi possível perceber o grande impacto que o capacitor () tem no ganho do circuito amplificador.
Na situação de ausência do capacitor , diz-se que o resistor é não-desviado pelo capacitor e, essa resistência do emissor terá impacto direto no domínio alternado, já com o capacitor, diz-se que esse resistor é desviado pelo capacitor , onde esse capacitor, por ter baixa uma baixa impedância, causa um efeito de curto-circuito no resistor , suprimindo o efeito desse resistor no domínio alternado.
O efeito prático da situação descrita acima é que um circuito amplificador, como o estudado, tem um ganho muito maior se apresentar um capacitor de desvio. Nesse experimento, por exemplo, observou-se uma diminuição no ganho em torno de quando o capacitor foi retirado do circuito.
VIII. REFERÊNCIAS
[1] BOYLESTAD, Robert. “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”, LTC: Rio de Janeiro, 6ª edição, 1998.