Projeto Amplificador de Audio com Transistor BJT Relatorio e Simulacao

Realizar a simulação de um circuito com a função de amplificar sinais elétricos e que tenha aplicação pratica para amplificação do sinal deve ser usado transistor não pode ser usado amplificador operacional Exemplo de circuitos amplificador de áudio circuito de controle remoto e etc Para simulação de ser usado Multim Psim ou Proteus Elaborar um relatório com introdução aplicação justificativa desenvolvimento parte teórica do funcionamento do circuito detalhado seu funcionamento e resultados com base nos gráficos da simulação o relatório deve conter todos os gráficos pertinentes ao circuito bem como a devida explicação Deve ser entregue o relatório em arquivo Word e também o arquivo referente a simulação Obs circuito de baixa complexidade que tenha aplicação pratica PROJETO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA AMPLIFICADOR DE AUDIO Prof Anderson P Souza Alunos Lucas Ferreira Marcelo Lunardeli São Paulo SP 26 de maio de 2023 Sumário 1 Objetivos 1 2 Introdução 2 21 Transistores BJT 2 22 Transistor TBJ como amplificador de sinais 3 23 Configuração Coletor Comum com Polarização Seguidor de Emissor 4 24 Amplificador Classe B 5 3 Desenvolvimento 7 31 Montagem e simulação no multissim online 7 32 MATERIAIS UTILIZADOS 8 4 REFERÊNCIAS 9 Lista de Figuras 1 Configuração Coletor Comum com Polarização Seguidor de Emissor 4 2 Configuração Coletor Comum com Polarização Seguidor de Emissor 5 3 Amplificador em 2 estágios simulado no multissim online 7 4 Formas de onda das entradas e das saídas 8 2 1 Objetivos O principal objetivo ao criar um amplificador de áudio é aumentar a amplitude do sinal sonoro de uma fonte de áudio como um CD player ou um dispositivo móvel para que possa ser ouvido em um altofalante com maior potência 1 2 Introdução Um amplificador de áudio é um dispositivo eletrônico projetado para aumentar o sinal elétrico de um áudio de baixa potência para um nível mais alto permitindo que ele seja reproduzido em altofalantes ou fones de ouvido com clareza e intensidade adequadas Esse componente é essencial em sistemas de som desde sistemas domésticos até grandes sistemas de sonorização em eventos musicais O objetivo deste projeto é desenvolver um amplificador de áudio eficiente que ofereça um desempenho sonoro excepcional e uma qualidade de som superior Serão considerados fatores como potência resposta de frequência distorção harmônica relação sinalruído e eficiência energética Além disso o projeto levará em conta a facilidade de construção e o uso de componentes acessíveis no mercado Ao longo deste projeto serão abordados diversos aspectos da eletrônica de áudio incluindo circuitos de amplificação escolha de componentes design de placas de circuito impresso proteção contra sobrecarga e dissipação de calor Será realizada uma análise aprofundada das especificações técnicas bem como uma avaliação crítica de diferentes abordagens e soluções existentes Esperase que o resultado final seja um amplificador de áudio de alta qualidade que atenda às ne cessidades de audiófilos músicos e entusiastas de áudio em geral Este projeto é uma oportunidade de aprimorar conhecimentos em eletrônica amplificação de áudio e design de circuitos contribuindo para a melhoria da experiência sonora em diversos contextos 21 Transistores BJT Os transistores de junção bipolar BJT Bipolar Junction Transistors são dispositivos semicondu tores que desempenham um papel fundamental na eletrônica e em particular na amplificação de sinais Esses dispositivos foram amplamente utilizados desde a década de 1950 e continuam sendo essenciais nas aplicações de amplificação de áudio e comunicação Um transistor BJT é composto por três camadas de material semicondutor duas regiões do tipo N e uma região do tipo P ou viceversa Essas regiões são chamadas de emissor E base B e coletor C Existem dois tipos comuns de transistores BJT o NPN e o PNP que diferem na polaridade dos semicondutores utilizados A aplicação mais comum dos transistores BJT é como amplificadores de sinais Esses dispositivos são capazes de amplificar sinais de baixa potência como os provenientes de microfones tocafitas instrumen tos musicais entre outros para níveis mais altos permitindo a reprodução em altofalantes ou fones de ouvido com maior intensidade e fidelidade O funcionamento básico do transistor BJT como amplificador de sinais envolve o controle da corrente que flui entre o coletor e o emissor através da corrente que circula entre a base e o emissor Pequenas variações na corrente de base geram grandes variações na corrente de coletor permitindo a amplificação do sinal de entrada Existem diferentes configurações de amplificadores com transistores BJT sendo as mais comuns a configuração emissor comum a configuração base comum e a configuração coletor comum Cada configu ração apresenta características específicas em termos de ganho de tensão impedância de entrada e saída 2 estabilidade e resposta em frequência possibilitando a adequação a diferentes aplicações Além da amplificação de sinais de áudio os transistores BJT também são utilizados em outras apli cações como circuitos de comutação osciladores e fontes de corrente A versatilidade desses dispositivos tornouos fundamentais na eletrônica moderna impulsionando avanços tecnológicos em áreas como co municação sem fio eletrônica de consumo automação e muito mais Neste projeto será explorado o uso dos transistores BJT como amplificadores de sinais Serão abor dados conceitos teóricos características de desempenho configurações de amplificadores e técnicas de projeto O objetivo final é desenvolver um amplificador de sinais de alta qualidade com baixa distorção resposta em frequência ampla e capacidade de lidar com diferentes fontes de áudio Ao compreender o funcionamento e as aplicações dos transistores BJT como amplificadores de sinais poderemos explorar todo o potencial desses dispositivos para melhorar a qualidade e a potência do som em diversas situações contribuindo para uma experiência sonora envolvente e imersiva 22 Transistor TBJ como amplificador de sinais Os amplificadores desempenham um papel essencial na amplificação de sinais elétricos permitindo aumentar a potência e a amplitude de um sinal de entrada Entre os dispositivos utilizados para essa finalidade os transistores de junção bipolar BJT Bipolar Junction Transistors são amplamente em pregados devido às suas características e desempenho Os transistores BJT são dispositivos semicondutores compostos por três camadas de material semi condutor o emissor E a base B e o coletor C Essas camadas possuem polaridades opostas sendo os tipos mais comuns os transistores NPN e PNP A corrente que flui entre o coletor e o emissor é controlada pela corrente que circula entre a base e o emissor permitindo a amplificação do sinal de entrada Os amplificadores com transistores BJT oferecem diversas vantagens como a capacidade de amplificar sinais de baixa potência com um bom ganho de tensão uma resposta em frequência ampla e uma baixa distorção harmônica Além disso esses amplificadores são estáveis e confiáveis adequados para uma ampla variedade de aplicações desde sistemas de áudio e instrumentação até telecomunicações e eletrônica de potência Existem várias configurações de amplificadores com transistores BJT incluindo a configuração emissor comum a configuração base comum e a configuração coletor comum Cada configuração possui caracterís ticas específicas que as tornam adequadas para diferentes aplicações Por exemplo a configuração emissor comum oferece um alto ganho de tensão e uma impedância de entrada relativamente baixa tornandoa ideal para amplificadores de áudio O projeto de um amplificador com transistores BJT envolve a seleção adequada dos componentes o dimensionamento dos valores de resistores e capacitores a análise dos pontos de polarização e a estabi lidade do circuito Além disso é importante considerar fatores como a dissipação de calor e a proteção contra sobrecarga para garantir o desempenho e a segurança do amplificador Neste projeto será explorado o uso de transistores BJT como amplificadores de sinal Serão abordados conceitos teóricos princípios de projeto análise de circuitos e técnicas de otimização O objetivo final é desenvolver um amplificador de sinal de alta qualidade com um desempenho excelente e uma resposta 3 precisa aos sinais de entrada Compreender os princípios e aplicações dos amplificadores com transistores BJT permite explorar todo o potencial desses dispositivos para amplificar sinais elétricos com precisão e eficiência Através desse projeto será possível aprimorar os conhecimentos em eletrônica amplificação de sinal e design de circuitos contribuindo para a melhoria da qualidade e potência dos sistemas de áudio telecomunicações e outras aplicações onde a amplificação de sinal seja necessária 23 Configuração Coletor Comum com Polarização Seguidor de Emissor Figura 1 Configuração Coletor Comum com Polarização Seguidor de Emissor A configuração coletor comum com polarização seguidor de emissor é uma das configurações mais comuns de amplificadores com transistores bipolares de junção BJT Essa configuração oferece uma série de vantagens em relação a outras configurações tornandoa amplamente utilizada em aplicações onde se busca uma alta impedância de entrada baixa impedância de saída e ganho de tensão próximo a 1 Nessa configuração o transistor BJT é configurado com o coletor conectado à alimentação de tensão o emissor conectado ao terra e a base conectada ao circuito de polarização O circuito de polarização consiste em resistores eou componentes adicionais que estabelecem a corrente de polarização para o transistor O nome polarização seguidor de emissorreferese ao fato de que a corrente de polarização é determi nada pelo emissor do transistor o que proporciona uma estabilidade e um controle precisos sobre o ponto de polarização Isso ajuda a compensar variações térmicas e de fabricação garantindo um funcionamento consistente do amplificador Uma das principais características da configuração coletor comum com polarização seguidor de emissor é que a entrada é conectada ao emissor enquanto a saída é tomada a partir do coletor Isso resulta em uma alta impedância de entrada o que significa que o circuito de entrada não exerce uma carga significativa no sinal de entrada permitindo a conexão com fontes de sinal de baixa impedância Além disso essa configuração também oferece uma baixa impedância de saída Como a saída é tomada 4 diretamente do coletor a impedância de saída é menor do que a impedância de carga o que possibilita a condução eficiente de corrente para a carga sem perdas significativas Essa configuração é amplamente utilizada em aplicações onde se busca amplificar o sinal com um ganho de tensão próximo a 1 e fornecer uma alta impedância de entrada e baixa impedância de saída É comumente empregada em circuitos de buffer préamplificadores e amplificadores de instrumentos musicais A configuração coletor comum com polarização seguidor de emissor é uma escolha popular devido à sua estabilidade eficiência e capacidade de preservar a forma de onda do sinal de entrada Sua ampla aplicabilidade e desempenho confiável a tornam uma opção valiosa em diversas áreas da eletrônica Em resumo a configuração coletor comum com polarização seguidor de emissor é uma configuração de amplificador com transistor BJT que oferece uma alta impedância de entrada baixa impedância de saída e ganho de tensão próximo a 1 Sua utilização é frequente em circuitos de amplificação onde a preservação da forma de onda do sinal e uma resposta de frequência ampla são essenciais 24 Amplificador Classe B Figura 2 Configuração Coletor Comum com Polarização Seguidor de Emissor O amplificador classe B é uma configuração amplificadora amplamente utilizada em aplicações de áudio onde é necessário amplificar sinais de alta potência com eficiência e baixa distorção Essa classe de amplificador é conhecida por sua capacidade de fornecer um alto nível de eficiência resultando em menos perdas de energia durante a amplificação A principal característica do amplificador classe B é que ele utiliza dois transistores de potência geralmente um transistor NPN e um transistor PNP que operam em conjunto para amplificar a forma 5 de onda do sinal de entrada Cada transistor é responsável por amplificar metade do ciclo de sinal sendo o transistor NPN responsável pela metade positiva do sinal e o transistor PNP pela metade negativa A configuração pushpull é comumente utilizada no amplificador classe B Nessa configuração o transistor NPN é ligado para amplificar a metade positiva do sinal enquanto o transistor PNP amplifica a metade negativa Dessa forma a distorção harmônica é reduzida uma vez que cada transistor opera apenas em sua região de condução adequada durante metade do ciclo de sinal A principal vantagem do amplificador classe B é sua alta eficiência Como os transistores operam apenas durante metade do ciclo de sinal há uma redução significativa nas perdas de energia e dissipação de calor em relação a outras configurações de amplificador Isso resulta em um amplificador mais eficiente em termos de consumo de energia No entanto uma desvantagem do amplificador classe B é a presença de uma pequena região de crossover ou distorção de crossover Essa distorção ocorre na transição entre os transistores NPN e PNP onde pode haver uma pequena descontinuidade na forma de onda do sinal de saída Para mitigar esse problema é comum utilizar um circuito de polarização adequado e técnicas de correção de distorção como a realimentação negativa O amplificador classe B é amplamente utilizado em aplicações de áudio como amplificadores de potência para altofalantes e amplificadores de guitarra Sua alta eficiência e baixa distorção tornamno uma escolha popular para sistemas de som de alta qualidade Em resumo o amplificador classe B é uma configuração amplificadora eficiente e amplamente utilizada em aplicações de áudio Sua capacidade de amplificar sinais de alta potência com eficiência juntamente com sua baixa distorção o torna uma escolha popular em amplificadores de potência 6 3 Desenvolvimento 31 Montagem e simulação no multissim online Neste projeto foi desenvolvido um amplificador Configuração Coletor Comum com Polarização Se guidor de Emissor no 1 estágio e no segundo estágio um amplificador Classe B Figura 3 Amplificador em 2 estágios simulado no multissim online Temos em um primeiro estágio um circuito focado em alta impedância de entrada e baixa impedância de saída e no segundo estágio temos um circuito focado na amplificação do sinal de fato Após a montagem dos dois estágios obtivemos as seguintes formas de onda da entrada e saída das correntes e também das tensões 7 Figura 4 Formas de onda das entradas e das saídas Nas formas de onda temos que Vin é a tensão de entrada Iin e a corrente de entrada Vou1 é a tensão na saída do primeiro estágio Vout2 é a tensão de saída no segundo estágio e o final do circuito Iout é a corrente de saída 32 MATERIAIS UTILIZADOS 3 transistores TJB sendo 2 NPN e um PNP 2 Diodos 3 capacitores sendo 2 470uF e um de 10uF Resistores de 47k 82k 12k 18k 1k 8 4 REFERÊNCIAS 1 RAZAVI Behzad Fundamentos de microeletrônica Rio de Janeiro Livros Técnicos e Científicos 2017 2 SEDRA Adel S Microelectronic circuits 7th ed New York Oxford University Press 2014 3 MALVINO Albert Paul Eletrônica 8 ed Porto Alegre AMGH 2016 Porto Alegre McGrawHill 2007 2 v 9