Simulação de Amplificador com Transistor para Microfones Dinâmicos - Relatório Técnico

O circuito mostrado na figura 1 faz uso de um transistor de altoganho e baixo nível de ruído sendo indicado para aumentar o nível de sinal de microfones dinâmicos que normalmente são dispositivos pouco sensíveis Com a ajuda desse circuito a intensidade do sinal do microfone é aumentada a ponto de excitar a maioria dos amplificadores de áudio comum que precisam de pelo menos 500 mV para poderem fornecer toda sua poy6encia Atividade Eletrônica Analógica Escolher um circuito prático com utilização do transistor como amplificador e realizar a simulação do circuito Elaborar um relatório com introdução aplicação justificativa desenvolvimento parte teórica do funcionamento do circuito e resultados com base nos gráficos da simulação INTRODUÇÃO O circuito a ser simulado tem aplicações voltadas para amplificação de áudio O projeto consiste em uma fonte regulada e de um amplificador com emissor comum EC com objetivo de amplificar um baixo sinal de entrada CA Em geral os equipamentos eletrônicos necessitam em determinados pontos de seus circuitos de níveis de tensão contínua CC regulados para que possam operar com eficiência e normalidade A regulação de uma fonte de alimentação é a capacidade desta em manter sua tensão de saída o mais constante possível mesmo que venha ocorrer qualquer variação por causas externas ou internas à fonte Conjuntamente desejase amplificar um sinal fazendo uso da fonte supracitada Entendese por amplificação o fato mediante o qual uma variação ocorrida na entrada de um circuito aparece amplificada na saída Aplicandose esse conceito ao transistor ao provocar uma variação da polarização de base obtêmse uma variação muito maior da corrente de coletor e da tensão coletoremissor Geralmente empregando o transistor como amplificador as variações da polarização de base são provocadas pela aplicação de um pequeno sinal de corrente alternada CA na entrada que aparece na saída com seu valor ampliado mas sendo um reflexo fiel da entrada ZUIM 2016 APLICAÇÃO Como dito anteriormente o circuito a ser simulado é parte constitutiva de circuitos com objetivo de amplificar sinais Dito isto circuitos amplificadores de tensão são bastante utilizados para aumentar a amplitude de um sinal de entrada elétrico como por exemplo o áudio proveniente de uma fonte de áudio ou de um altofalante Neste trabalho o circuito montado consiste no tratamento do sinal de entrada a partir de retificador regulador filtragem e amplificação do sinal com objetivo de se obter na saída um sinal não distorcido cópia fiel do sinal de entrada mas amplificado Continuando em termos de aplicações além de sistemas de som amplificadores de tensão são bastante utilizados em sistemas de comunicação equipamentos de medição instrumentação eletrônica e dispositivos de controle JUSTIFICATIVA Como dito anteriormente o circuito a ser simulado tem aplicações práticas na amplificação de sinais provenientes de áudio Portanto as principais justificativas se firmam no seguinte ponto identificação de metodologias precisas para montagem de circuitos amplificadores que tenham como consequência a qualidade do som Estudar amplificadores de tensão voltados para amplificação de áudio é muito importante haja vista a relevância em não só garantir a qualidade do sinal amplificado mas também de um correto dimensionamento voltado para eficiência energética DESENVOLVIMENTO Para a confecção do projeto uma análise criteriosa deve ser feita para o dimensionamento correto do circuito a fim de se obter uma fonte regulada com tensão de saída de 19 V apropriada para utilização de aparelhos sonoros como também a amplificação de um sinal de entrada com amplitude de 20 mV a 100 mV normalmente esse valor corresponde a um baixo volume de áudio que se deseja amplificar com uma frequência variante dentro da faixa de 20 Hz a 20 kHz intervalo de frequência sonora audível para o ser humano A primeira etapa é o dimensionamento da fonte regulada a qual tem seu esquemático apresentado na Figura 1 Figura 1 Fonte regulada O transformador corresponde à primeira etapa da conversão da tensão Escolheuse um transformador de tensão com entradas de 127V e saídas em 12V 12V e 2A com tomada central A próxima etapa para a conversão da tensão alternada em tensão contínua é a retificação Essa transforma a tensão alternada em pulsante unidirecional O modelo de diodo escolhido foi o 1N4001 por suportar as condições impostas a ele no circuito Os diodos transferem os semiciclos negativos da tensão alternada senoidal para positivos transformando a tensão em um sinal pulsante O esquema pode ser visto na Figura 2 Figura 2 Ligação dos diodos em ponte O estágio a seguir é a filtragem o qual reduz o conteúdo de harmônicos presentes na saída do retificador proporcionando uma tensão contínua mais pura Para esta função foi escolhido um capacitor de 1mF pois é comum a fim de simplificação usar 1mF de capacitância para cada ampère de corrente que pode ser necessário filtrar a depender da corrente drenada pela carga conectada à fonte Neste ponto é feita a regulação da tensão contínua fornecida pela fonte já que devido a eventuais oscilações na tensão fornecida na rede elétrica que podem ocorrer a saída ainda será estável e contínua Para este fim é aplicado o regulador de tensão seguidor zener por apresentar maior estabilidade Além disso o transistor escolhido para ser utilizado em conjunto com o Zener é o 2N3904 por apresentar bom desempenho em uso geral e por ser aquele de maior uso Este também é o modelo de transistor usado no amplificador de tensão Assim sabendo que a folha de dados indica uma corrente de teste para o diodo zener de 125mA é feita a seguinte análise Figura 3 Diodo zener e transistor Como a tensão aplicada do capacitor sobre o regulador é de aproximadamente 32V medida previamente através do software e que a tensão mantida no diodo zener é de 20V a tensão Vr no resistor de polarização é dada por Vr32 2012V Logo a resistência Rp do resistor de polarização é de Rp12V125mA960Ω Escolhendo um valor de resistência que existe na prática podemos aproximar para 162KOhm No que se refere ao circuito amplificador de tensão o modelo escolhido foi o amplificador EC com emissor comum dado que este é o mais apropriado para esta modalidade de amplificação por apresentar maio fidelidade Com isso em mente a polarização da base do transistor é feita com a polarização por divisor de tensão PDT pois esta dispensa o uso de uma fonte de tensão contínua apenas para a base do transistor Como a alimentação do circuito amplificador é de aproximadamente 19V seguese o conjunto de regras para o dimensionamento do amplificador a fim de manter seu ponto de operação o mais próximo do meio da reta de carga de operação Assim a partir da folha de dados do transistor 2N3904 a corrente de teste apresentada é 10mA no coletor para o ganho de corrente de pior caso que é de β100 Uma corrente 10mA no coletor é muito segura para sua operação pois distanciase muito da máxima potência dissipada pelo transistor até mesmo para altas tensões entre o coletoremissor Logo para a determinação do resistor Re no emissor do transistor é feito que a tensão aplicada a Re deve corresponder a 10 da tensão de alimentação sendo assim a tensão Ve no resistor do emissor é de 19V A partir disso o resistor do emissor é dado por 𝑅𝑒19𝑉10𝑚𝐴190Ω Em seguida o resistor Rc do coletor do transistor corresponde a quatro vezes a resistência do emissor já que no coletor deve haver 40 da tensão de alimentação por isso 𝑅𝑐4190760Ω Para determinar as resistências do PDT é considerado um divisor de tensão estável de forma que 𝑅2001βRe190Ω Sabendo que a partir do cálculo da malha que compreende o Re e R2 a tensão V2 em R2 é dada por 𝑉207𝑉19𝑉26V Sendo 07V a queda de tensão existente no diodo do emissor do transistor daí vem que a queda de tensão V1 em R1 é 𝑉119𝑉 26 𝑉164𝑉 Como a corrente que circula em R2 é aproximadamente igual à corrente que circula em R1 dado que a corrente na base do transistor é aproximadamente Ib0 então a corrente em R2 é 𝐼𝑟226𝑉190Ω13684𝑚𝐴 E a resistência de R1 vem a ser 𝑅1164𝑉13684𝑚𝐴12𝐾Ω Com esses valores em mãos determinamse os capacitores do circuito amplificador responsáveis pela filtragem e correto acoplamento Os capacitores possuem suas capacitâncias relacionadas com a impedância para a qual precisam desviar ou facilitar a passagem de corrente alternada Ou seja possuir baixa impedância em relação aos resistores mas apenas para corrente alternada Para todos os capacitores é considerado que sua reatância é 10 da resistência vista por eles Para C1 a impedância considerada é igual à 10 da impedância de entrada do estágio assim 𝑋𝐶101 𝑅1𝑅2𝛽𝑟𝑒 Como uma boa aproximação para re é 𝑟𝑒25𝑚𝑉10𝑚𝐴25Ω Então aplicando a XC1 os valores conhecidos e uma baixa frequência de 60Hz resulta em uma capacitância de aproximadamente 270uF 𝐶112𝜋60𝑋𝐶1 Já XC2 é expresso como 𝑋𝐶201𝑟𝑒𝑅𝐸 E de maneira análoga C2 é aproximadamente 10mF A mesma ideia é aplicada aos próximos capacitores Para XC4 𝑋𝐶401𝑅𝑐𝑅𝑙 resultando em uma capacitância de C415uF Notase que a carga do amplificador varia entre 1kΩ e 3kΩ mas resolver a reatância de C3 para Rl1kΩ resulta em uma maior capacitância o que implica em menor reatância para a corrente alternada que chega à carga O circuito fica Figura 4 Circuito amplificador Para aumentar o ganho de tensão aplicouse um novo estágio de amplificação em cascata com o anterior de modo que o sinal de entrada neste é a saída do anterior aumentando ainda mais a amplificação Como a alimentação dos dois estágios é igual todos os componentes já calculados são mantidos Para isso utilizase também o capacitor C8 calculado a partir de 𝑋𝐶801𝑅𝑐𝑅1𝑅2𝛽𝑟𝑒 resultando em C833uF também para 60Hz Mas é preciso também aplicar realimentação parcial no emissor do transistor a fim de corrigir possíveis perturbações O circuito fica conforme a Figura 5 Figura 5 Circuito final a ser simulado RESULTADOS Considerando um sinal de entrada de 20mV de amplitude e a configuração exposta na Figura 5 o sinal de saída passa a ser conforme o gráfico da Figura 6 Enquanto que o ganho de tensão é 𝐴𝑣138𝑉40𝑚𝑉345 Figura 6 Sinal amplificado Com os potênciometros como resistências a qualidade do sinal de saída pode ser ajustada inclusive para diferentes amplitudes apesar de obviamente haver um limite para o ganho de tensão fornecido Além de ajustar a qualidade de saída percebese que quando possível é interessante também calibrar as resistências pois assim o ponto Q do transistor é mantido próximo do meio da reta de carga e isso permite uma amplificação do sinal sem distorções mantendo por exemplo a qualidade do sinal sonoro a ser amplificado REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1 MALVINO Albert Paul Eletrônica Vol 1 e 2 4ª ed São Paulo Pearson 2 BOYLESTAD Robert L NASHELSKY Louis Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos 8ª ed São Paulo Pearson 696 p 3 Amplificador Emissor Comum httpwwwezuimcompdfampecpdf Acesso em 11072018