Princípios De Eletrônica Analógica Prof. Luiz Antonio Vargas Pinto Revisada em

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1 Prncípos e letrônca Analógca Prof. Luz Antono argas Pnto evsada em -3-7-

2 Índce Introdução... 3 Fonte retfcadora ½ onda e fltro a capactor... 4 Fonte retfcadora de onda completa e fltro a capactor... 4 Junção... 4 odo Zener... 4 urva aracterístca... 4 egulador... 5 xercíco... 5 Transstor Bpolar... 6 As correntes no transstor... 8 Ganho (hfe)... 8 Polarzação... 9 Polarzando com técnca de ma... 9 onsderações... 9 Polarzando com técnca de > ma... onsderações... O crcuto equvalente de Thévenn... 4 ondções Quescentes (deas)... 7 eta de arga... 7 Análse geral... 8 aracterístcas de confguração... lasse A... 3 lasse B... 3 lasse AB... 4 lasse... 4 lasse G... 6 lasse H... 6 lasse I... 7

3 Introdução ste materal fo desenvolvdo baseado em apontamentos e estudos desenvolvdos durante aulas teórcas e prátcas, e podem evdentemente apresentar erros e nconsstêncas. Se forem evdencadas, peço a gentleza de me nformarem em meu ste: ou Obrgado. Sucesso em seus estudos. Prof. ngº Luz Antono argas Pnto 3

4 Fonte retfcadora ½ onda e fltro a capactor Fonte retfcadora de onda completa e fltro a capactor Junção odo Zener os dodos que são fabrcados, o dodo Zener fo construído para trabalhar com tensão reversa. Assm ele se comporta como um dodo comum, mas, quando sob tensão reversa (acma ou no valor Z ) ele conduz. urva aracterístca 4

5 egulador Seja o crcuto segunte: ados: arga ma L 4 ma L 8 aracterístca báscas necessáras para que o dodo Zener funcone como regulador (protetor da carga):. I LMAX 4 ma. Zener sempre conduzndo (I LMIN 5 ma ) 3. > L (I ZMIN ) 4. A presença de Z L ou L Z LMAX ZMIN ma ondção que garante que o Zener está conduzndo LIM 8 6 (tensão na resstênca lmtadora) LIM. LIM LIM ,33Ω Ω 33,33 5Ω e Adotamos 5Ω porque é anda capaz de conduzr de tal forma que ZMIN < 5 ma e o Zener corta. xercíco É necessáro almentar uma carga de 5Ω com uma tensão de a partr de uma fonte que fornece uma tensão que pode ter uma varação de 5 a. ado ZMIN 5mA - Fornecdo pelo manual 5

6 m condção de Zener conduzndo, Z L e L / 5 ma o que faz com que 5 5 ma. laro que nesta stuação a fonte estara operando em condção mínma e em conseqüênca dsto: 5 5 r MAX Ω Quando, o Zener anda está conduzndo, porém, sua corrente agora é máxma, mas sua Z anda é. Assm, nesta stuação, r onsderando que não mude, então teremos:, 5A como Z não muda, quem muda é Z que passa a ser ZMAX 3 ZMAX,5, 3A desde que o Zener suporte essa corrente, esse será o valor de lmtador a ser adotado. Transstor bpolar ou BJT A conexão de junções alternadamente produz, de níco, dos tpos de crcuto: Onde a njeção de corrente na base (B) ou mesmo a retrada desta da base (B) propca um efeto de crculação de corrente entre o coletor () e o emssor() fazendo a "ponte" entre o oletor e o mssor vencendo a largura da Base e as duas junções B e B. No caso do NPN, em partcular, ocorre entrada de corrente convenconal, fazendo com que a corrente do emssor ( ) seja lgeramente maor que a corrente de coletor ( ) 6

7 laro que exste uma mínma parcela de corrente de retorno na base mas esta é muto menos ntensa que aquela na dreção oletor- mssor. A nfluênca da base sobre as junções é essencal. A njeção de elétrons desestrutura eletrcamente o sstema desencadeando um fluxo de cargas em um únco sentdo favorável, tal como um dodo.. Observe que a largura da camada P é um obstáculo ntransponível para o fluxo de elétrons do coletor para o emssor, uma vez que estes não enxergam as cargas no outro lado N. Por essa razão apenas é possível a passagem de elétrons medante a njeção deles na base ncando e controlando o fluxo prncpal do coletor para o emssor.. O transstor bpolar, tal como os dodos semcondutores apresenta uma ddp entre as junções. em partcular, a ddp entre Base- mssor é muto próxma àquela no dodo. A menos que o fabrcantes especfque, esta corrente será um valor entre,6 e,7. Sendo constante em cada componente, é usual denomná-la de esstênca dnâmca. 3. Também fca fácl observar que o transstor faz parte de um conjunto denomnado de omponentes Atvos, sto é, somente funcona com fonte de almentação externa ao componente (neste caso ). 4. As junções efetvamente não se fundem, fato este que conhecemos como efeto uptura e efeto Avalanche. Assm, podemos afrmar que as junções estão oladas e sto é feto termcamente. 5. mbora, de níco dê a falsa mpressão de que o amplfcador será utlzado em corrente contínua (), sto não é verdade. O que de fato é trabalhado, são as correntes necessáras para colocar o transstor em uma stuação de pré-amplfcação, fxando o fluxo mínmo deal as necessdades do snal a ser amplfcado. 6. amos consderar anda que exste a nfluênca da temperatura no resultado fnal de amplfcação posto que o do sstema é muto sensível a temperatura. 7

8 Obtdo do modelo de bbers-moll 8 As correntes no transstor e todas, a mas nteressante é aquela que expressa o Ganho em : Ganho (hfe) A relação I /I B defne a capacdade de reproduzr (controlar) o fluxo de corrente do coletor. efnmos: I h fe I B omo I >> I B, o ganho é elevado. efnmos como a relação: I I onde,95,99 anda, como é sempre menor que, ou seja <

9 Polarzação Incamos com um questonamento: porque polarzar? Temos sempre que ter em mente que o transstor é um componente Atvo, sto é, requer energa e componentes adconas para funconar da forma planejada. Uma das formas mas comuns de polarzação é por "njeção de corrente constante na base" ste crcuto funcona relatvamente bem, porém tem o nconvenente de apresentar algumas nstabldades com varação de, tensão e corrente de base. aí um crcuto melhorado, sugerdo sera: É o clássco amplfcador com "dvsor de tensão na base". Polarzando com técnca de ma m certas aplcações, o uso de algumas técncas facltam a polarzação de transstores, tal como neste caso. onsderações! I ma!! /!,! I, I! I I! Apenas para efeto de cálculo, I B (desprezível comparada a I) xemplo de aplcação: etermne o crcuto de polarzação para I 6 ma e 9

10 O qual fca como: eja que: 6, 4,8 por Ohm vemos que: 4,8 3 6x 8Ω, 3 6x Ω

11 I,6 ma Observe no detalhe que,,7,9 a corrente que passa por é I,6 ma e logo:,9 367Ω 3,6x anda: e onde tramos que, o que mplca em que,9 e,, aí 6833, 3 3,6x

12 fcamos: Se desejarmos boa precsão om valores eas Polarzando com técnca de > ma Por outro lado, outras aplcações podem requerer mas que ma e neste caso, o procedmento é dferente. Isto porque I B consderada no caso anteror, não vale mas e por conseqüênca, I também não vale mas. onsderações!! /!,! I I! BB xemplo de aplcação: etermne o crcuto de polarzação para I ma e e 33 O qual fca como: eja que: 6, 4,8 por Ohm vemos que:

13 3 Homenagem a Léon harles Thévenn que desenvolveu uma técnca para reduzr crcutos elétrcos 3 4,8 3 x 4Ω, 3 x 6Ω Para este tpo de análse consderemos o crcuto equvalente de Thèvenn 3 : omo BB x aí: BB x6 6Ω como 3 x 6,6x 33 6 B B BB 6x6,6x 6, 36 teremos: A Porque BB,,7,36,936

14 Obtdos da crcuto equvalente de Thèvenn, temos: BB BB e BB O crcuto equvalente de Thévenn e acordo com Thévenn, podemos dvdr um crcuto respetando algumas regras, ou seja: e onde: TH m seguda, determnaremos a Tensão de Thèvenn: e onde: TH e TH TH 4

15 omo TH será o BB, então: BB BB Multplcando ambos os lados por BB BB BB BB BB onforme queríamos demonstrar. e cujo crcuto equvalente fnal será: Prossegundo em nossos cálculos, teremos: 6 379Ω,936 anda, se Ω ( 379 6) BB ( 37 )

16 fcamos: 6

17 ondções Quescentes (deas) onsderando nas condções Quescentes: B,7 e se e >> B ( - ) sta últma consderação elmna as varações de de modo que: B,7 I e IQ I Q eta de arga Lembrando que I ( ) representa a eta de arga Smetra (Ideal) 7

18 Análse geral Seja dado um crcuto de polarzação, no qual são conhecdos,,,,, B e o, porque o transstor em uso tem suas característcas de datasheet já conhecdas: Por Krchhof, teremos as seguntes equações: B B 8 B X B X X B Mas: B X B

19 B X B B B Mas da malha externa: ( ) ( ) ( ) ( )( ) B B B X B X X B X X B X X X ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) B 9

20 Mas: ( ) ( ) ( ) B B B B B B B B B ( ) ( ) B ( ) ( ) B ( ) B e onde:

21 B ( ) aracterístcas de confguração ) Impedânca Pouca ou nenhuma mportânca se dá á Impedânca. É comum confundla com resstênca (ª Le de Ohm.I) de onde: mas Z I I também que, aparentemente, é a mesma cosa; porém a relação entre a tensão e a corrente é Impedânca porque resstênca é físca: l ρ S Apenas o efeto fnal pode ser consderado gual. A undade de Z é Ω, ou seja: [Z] Ω e uma forma muto smples podemos dzer que esstênca é uma propredade e a mpedânca um efeto. Agora, vamos consderar o segunte caso: Se for necessáro conectar A e B haverá perdas, dadas as dferenças de mpedânca entre os dos elementos. Assm é precso a- justar eletrcamente os dos com o meo. onsderando o transstor devdamente polarzado podemos dzer que este apresenta característca resstva das junções muto pequenas, e portando desprezível. Porém não se pode dzer o mesmo da mpedânca, ou seja:

22 O deal será Z >> Z posto que se Z é muto elevado, as correntes de entrada são muto baxas (base). onforme as crcunstâncas, dependendo da confguração adotada, podemos ajustar para nvelar. As mpedâncas de A e B sofrerão aqulo que chamamos no jargão técnco de asamento de Impedânca. ) ross Over Na prátca é comum termos a segunte ocorrênca: Que é uma dstorção, dferença no snal (ross-over) e que e- xge compensação. A presença de perdas nerentes ao própro processo de equlíbro de cargas nas junções acarreta um atraso nas transções quando a P passa do sem-cclo postvo para o negatvo e vce-versa. asos semelhantes são regstrados em sstemas dgtas onde as transções não são, nunca, nstantâneas. uja técnca de elmnação chamamos de ebounce 3) ausa Provável: má escolha do transstor ou dos estágos Insufcênca do componente 4) lasses de operação O que determna o tpo de classe de operação de um amplfcador, é o modo como os transstores do estágo de saída operam, na tentatva de se obter maor lneardade e/ou rendmento. A segur, apresentaremos os prncípos báscos e prncpas característcas de algumas dessas classes de operação. xstem outras classes que são utlzadas em crcutos de alta freqüênca (F) ou controles de potênca, mas não serão tratadas neste texto.

23 lasse A ertamente a classe que apresenta melhor característca de lneardade entre todas, mas também é a que tem menor rendmento que, dealmente, não passa de 5% (%, típco). Isso se deve ao fato de que os transstores de saída estão sempre em condução pos exste uma corrente de polarzação, constante, com valor no mínmo gual à máxma corrente de carga. Polarzação do estágo de saída Onde: I orrente de polarzação I P Máxma corrente na carga, sendo que I I P lasse B Ao contráro da lasse A, não exste corrente de polarzação nos transstores de saída o que faz aumentar bastante o rendmento do crcuto, dealmente 78,5% (5%, típco). Os transstores passam a conduzr apenas quando são exctados pelo snal de entrada. No entanto, é necessáro um par complementar de transstores, pos cada um fca responsável por um sem-cclo do snal de saída. onfguração complementar. Idealmente, os dos transstores são dêntcos, ou seja, perfetamente "casados" e estão no lmte do corte, o que na prátca não acontece. No entanto, durante a transção da operação de um transstor para outro há uma nterrupção do snal de saída pos o nível do snal de entrada não é sufcentemente grande para por os 3

24 transstores em condução. Ocorre a dstorção de cross-over. Para grandes níves de snas (grandes potêncas) esta dstorção é relatvamente pequena pos o snal passa a ser muto maor que o nível das harmôncas geradas; mas à medda que os níves vão baxando (do snal), a dferença também dmnu fazendo com que a dstorção passe a ser relevante. lasse AB A classe AB é uma classe de operação ntermedára à classe A e B onde, com uma pequena polarzação do estágo de saída, tem-se alto rendmento (classe B) e boa lneardade (classe A). Bascamente, o modo de operação desta classe é o mesmo da classe B (par complementar). onfguração complementar, com polarzação Agora fo ntroduzda uma tensão de polarzação nas bases dos transstores, BIAS. ssa tensão de polarzação, BIAS, tem ordem de grandeza gual à tensão base/emssor, B, do transstor, que agora, passa a fcar na "emnênca de condução", não necesstando mas de uma parcela do snal de entrada para fazê-lo. esta forma, a corrente que crcula pelos transstores de saída, na ausênca de snal, é bastante pequena, se comparada à que crcula nos transstores de saída do classe A. Ultmamente, esta classe de o- peração tem sdo largamente empregada em amplfcadores contínuos. lasse Os amplfcadores classe também são conhecdos como "amplfcadores chaveados" e sso se deve ao fato de que os transstores de saída não operam contnuamente, como vmos até agora, e sm como "chaves", comutando a tensão de almentação ( e ) à carga. 4

25 Prncípo À prmera vsta o funconamento destes amplfcadores pode parecer um tanto quanto complexo, mas o prncípo é smples: O snal de entrada (áudo, representado pela senóde) é constantemente comparado com uma referênca (portadora, onda trangular) com freqüênca mutas vezes maor que a máxma freqüênca contda no snal de áudo ( khz, teórco). O resultado é uma onda quadrada cuja a largura do pulso vara proporconalmente à ampltude do snal de entrada, áudo. sse snal (onda quadrada) é aplcado ao estágo de potênca (transstores como "chaves") que por sua vez o enva à carga através de um fltro passa-baxas, que recuperará a "forma" orgnal do snal. sse é o prncípo da "Modulação por Largura de Pulso" PWM - Pulse Wdth Modulaton. Prncípo PWM ssa classe de operação tem um rendmento bastante alto, que fca na casa dos 9% (típco), mas não tem a qualdade de baxa dstorção, relatva, que um amplfcador contínuo (classe A e AB) tem. 5

26 lasse G ssa classe de operação une a "lneardade" nerente aos amplfcadores classe A com o maor rendmento dos amplfcadores classe AB. omo? Sabemos que um amplfcador classe A é o que apresenta melhor característca de lneardade mas também é o que tem menor rendmento, e sso faz com que esta confguração seja pratcamente nvável em grandes potêncas; já o amplfcador classe AB não tem característca de lneardade tão boa quanto ao amplfcador classe A mas, em contra partda, tem maor rendmento. O amplfcador classe G, então, utlza um estágo classe A para baxos níves de snas (baxas potêncas) e acrescenta um estágo classe AB quando esses níves ultrapassam um determnado lmar (grandes potêncas), determnado por e, aprovetando o que cada uma das classes oferece de melhor. Prncípo do amplfcador classe G Amplfcadores classe G têm rendmento na casa dos 7% (típco). lasse H ssa classe de operação tem um prncípo bastante parecdo com o da classe G (aumentar o rendmento em amplfcadores contínuos) só que ao nvés de ter dos tpos de classes (A e AB) trabalhando com dferentes potêncas, o estágo de saída opera em classe AB, 6

27 mas com dferentes níves de tensão de almentação. Assm, em baxas potêncas, atua uma fonte de almentação com tensão mas baxa do que a fonte que atua em potêncas mas altas, ou seja, exste um "chaveamento" da tensão de almentação do estágo de saída. sse "chaveamento" ocorre toda vez que o snal de áudo ultrapassa um certo lmar, determnado em projeto. Prncípo do amplfcador classe H Uma defcênca desta classe de operação é o fato de que, em altas freqüêncas, a velocdade do "chaveamento" fca comprometda, devda à tecnologa dos componentes (anda não são sufcentemente rápdos), fazendo com que apareçam maores níves de dstorção, relatvamente aos de baxa freqüênca. m contrapartda, amplfcadores classe H têm maor rendmento que amplfcadores classe A, B e AB, e se gualam aos amplfcadores classe G. lasse I ssa classe de operação une a "lneardade" da classe A com a efcênca da classe. Já vmos que amplfcadores classe A são a melhor opção para boa lneardade e os amplfcadores classe para alto rendmento; mas uma classe opera em modo contínuo e outra em modo "chaveado"!? O snal de áudo é aplcado smultaneamente ao amplfcador classe A e ao classe ; o classe A fornece potênca à carga (altofalante) e o classe fornece a almentação ao classe A. 7

28 esta forma, a tensão (fonte) fornecda ao estágo de saída classe A será sempre só, e somente só, o necessáro para garantr que o snal de áudo (potênca) seja perfetamente entregue à carga; anda, é necessáro um "resíduo" de tensão (offset) nos transstores para que estes fquem sempre na regão de operação contínua. Prncípo do amplfcador classe I O rendmento desta classe de operação fca entre 7% e 8% (típco) o que, por analoga, sera um amplfcador classe A com rendmento gual ao classe G ou H! 8

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