Simulação de Amplificador de Emissor Comum com Transistor Bipolar no Multisim

UNIVERSIDADE DO VALE DO RIO DOS SINOS UNISINOS CURSO DE engenharia elétrica simulação de amplificador baseado em transistor leandro alberi mello da rosa Lucas Heidrich della nina são leopoldo 202 4 introdução Os transistores são dispositivos feitos de material semicondutor geralmente silício que é dopado com impurezas para criar regiões com excesso de elétrons tipo N ou falta de elétrons Existem algumas topologias de transistores e uma das mais comuns é o Transistor Bipolar de Junção Este tipo de transistor possui três terminais o emissor a base e o coletor Os transistores bipolares são classificados em dois tipos o tipo NPN o emissor é do tipo N a base é do tipo P e o coletor é do tipo N E o tipo PNP o emissor é do tipo P a base é do tipo N e o coletor é do tipo P Funciona de maneira semelhante ao NPN mas com polaridades opostas De maneira simplificada o funcionamento de um transistor de junção bipolar pode ser explicado a partir d e u ma pequena corrente na base pode controlar uma corrente muito maior no coletor o que permite que o transistor amplifique sinais E por conta dessa característica os transistores são utilizados para amplificar ou comutar sinais elétricos em uma ampla variedade de dispositivos eletrônicos Amplificadores baseados em transistores são fundamentais em eletrônica usados para aumentar a amplitude de sinais elétricos Eles convertem um sinal de entrada de baixa amplitude em um sinal de saída de maior amplitude Em geral existem três configurações de amplificadores de sinal o Amplificador de Emissor Comum Amplificador de Coletor Comum e Amplificador de Base Comum Neste trabalho será estudado uma aplicação de um amplificador de emissor comum As principais características desse sinal são forne cimento de um ganho de tensão elevado e a inversão de fase Os principais uso desse tipo de amp lificador são amplificação de pequenos sinais de áudio e outras aplicações de baixa frequência Para a realização desse trabalho será utilizada a ferramenta Multisim desenvolvida pela National Instruments Multisim é uma ferramenta bastante popular para simular e analisar circuitos analógicos e digitais possui uma vasta biblioteca de componentes Além de permitir simulação de circuitos em tempo real suportar várias análises incluindo análise DC AC análise transiente Desenvolvimento e Resultados A primeira etapa foi o cálculo dos valores dos resistores de modo que se obtenha a polarização do transistor Considerando I C 25 mA e β 150 1 Da lei de Kirchhoff temos V CC I B R B V BE I E R E V CC I B R B V BE β1 I B R E I B V CC V BE R B β1 R E I B I C β 25 10 3 150 1007 R B 151 R E R B 151 R E 558000 Escolhendo RE 2k Ω temos VE 5 V logo teremos que RB 256 k Ω Por outro lado temos V CC I C R C V CE I C R E I C V CC V CE R C R E Do estado de amplificação do transistor temos V CE V C E SAT 02 V 00025 1002 R C 2000 R C 1920 temos que os valores dos resistores já corrigidos para valores comerciais são RB 270 k Ω RC 1k2 k Ω RE 2k Ω Montando o circuito no Multisim podemos observar as correntes de base e coletor no circuito de acordo com o que foi proposto 2 Na análise de pequenos sinais devido à alta frequência os capacitores são tratados como curtos de forma que o resistor RE é eliminado do circuito Assim o circuito de pequenos sinais é 3 O primeiro teste executado no ambiente de simulação foi avaliar o valor da tensão entre coletor e emissor do transistor No ponto de operação a tensão VCE é igual a 2143 V conforme mostra a figura abaixo b O segundo teste executado no ambiente de simulação foi avaliar o valor da corrente contínua de coletor do transistor No ponto de operação a corrente IC é igual a 244 mA conforme mostra a figura abaixo c O terceiro teste executado no ambiente de simulação foi avaliar o valor da s tensões alternadas na base e no coletor do transistor No ponto de operação a tensão VC é igual a 7308 m V e a tensão VB é igual a 707 mV conforme mostra a figura abaixo Assim o ganho do amplificador é de 10337 d O quarto teste executado no ambiente de simulação foi avaliar as formas de onda das tensões na base e no coletor do transistor e Acoplando a carga resistiva de 5k6 Ω e refazendo as simulações para esse cen ário foram obtidos o valor das tensões alternadas na base e no coletor do transistor e suas formas de onda Nesse cenário o ganho do amplificador é de 8568 f De maneira resumida os valores da tensão na base e no coletor podem ser vistos na tabela abaixo para as duas condições analisadas com carga e sem carga Sem carga Com carga Tensão AC na base m V 7071 7071 Tensão AC n o coletor m V 7308 60576 Ganho 10337 8568 Montagem do Circuito em Laboratório Montagem do Circuito Fonte de Alimentação DC V1 Gerador de funções V2 Transistor 2N3904 Q1 Resistor de Base RB 270 kΩ Resistor de Coletor RC 12 kΩ Resistor de Emissor RE 2 kΩ Resistor de Carga RL 56 kΩ 2 Capacitor es C 1 C 3 100 µF Capacitor C2 470 µF A montagem do circuito foi realizada em uma protoboard para facilitar ajustes e correções Foram utilizados os componentes previamente calculados como resistores capacitores e o transistor NPN conforme o projeto simulado no software Multisim A escolha de uma protoboard permitiu conexões rápidas e seguras além de possibilitar a troca fácil de componentes durante o processo de teste A alimentação do circuito foi feita utilizando uma fonte DC ajustável para garantir a tensão correta nos pontos de alimentação do circuito O transistor foi polarizado de acordo com os valores obtidos nos cálculos teóricos e validados pela simulação sendo os resistores RB RC e RE ajustados para proporcionar o ponto de operação adequado Os capacitores de acoplamento e desacoplamento foram inseridos para evitar interferências e manter a estabilidade do circuito A montagem seguiu rigorosamente o esquema elétrico desenvolvido garantindo que as conexões fossem feitas de forma correta para obter os resultados esperados Medidas do Circuito em Laboratório Nessa configuração figura 1 o resistor de emissor RE é removido do caminho do sinal AC por meio de um capacitor de bypass o que maximiza o ganho do amplificador Essa medida é essencial para entender o impacto do bypass no ganho e na performance do circuito Figura 1 Tensão vo com BP Fonte Os Autores Aqui figura 2 o resistor de emissor permanece no circuito o que reduz o ganho do amplificador mas melhora sua linearidade e estabilidade Esta medida ajuda a comparar o impacto da linearidade versus o ganho do amplificador Figura 2 Tensão vo sem BP Fonte Os Autores Nas figuras 3 e 4 foi realizada para verificar como o circuito responde quando acionando uma carga real representada pelo resistor RL Foram realizadas medidas tanto com o bypass ativo quanto inativo permitindo avaliar a diferença no desempenho do circuito ao acionar uma carga Figura 3 Tensão vo com carga e com BP Fonte Os Autores Figura 4 Tensão vo com carga e sem BP Fonte Os Autores 4 Considerações finais Neste trabalho foi realizada a simulação montagem e análise de um amplificador baseado em transistor NPN utilizando a configuração de emissor comum As simulações iniciais permitiram prever o comportamento do circuito em termos de ganho de tensão e inversão de fase entre o sinal de entrada e o sinal de saída proporcionando uma base sólida para a montagem física do circuito As medições realizadas no laboratório foram cruciais para validar os resultados das simulações O circuito apresentou um comportamento consistente com as previsões feitas anteriormente Em particular as medidas de tensão de saída tanto com o resistor de emissor bypassado quanto sem o bypass demonstraram o impacto significativo da configuração no ganho do amplificador Com o bypass ativo o circuito alcançou um ganho máximo enquanto com o resistor de emissor no caminho do sinal o ganho foi reduzido mas a linearidade e a estabilidade do circuito foram melhoradas Além disso a análise do desempenho do circuito ao acionar uma carga real mostrou que o amplificador manteve um bom nível de ganho e estabilidade validando assim a eficácia do projeto para aplicações práticas Em conclusão a combinação de simulação e medição prática no laboratório demonstrou a eficiência do amplificador baseado em transistor NPN para aplicações de amplificação de sinais de baixa amplitude O processo de design que incluiu simulação montagem e testes laboratoriais foi essencial para garantir a robustez e a confiabilidade do circuito Esse estudo reforça a importância das técnicas de simulação e da validação prática no desenvolvimento de circuitos eletrônicos permitindo ajustes precisos e otimizações antes de uma implementação final 2