Aula 14.1 - Projeto de amplificador emissor comum com transistor BC548

Como ponto de partida, vou utilizar a configuração de um amplificador classe A com um transistor bipolar de silício NPN de uso geral como a mostrada na figura 01. 

Lembrando que os procedimentos de cálculo não são os únicos podendo existir variações e até mesmo processos mais precisos que fazem uso dos parâmetros híbridos. Na verdade, este procedimento é denominado "empírico" já que faz uso de algumas aproximações que visam antes simplificar os cálculos evitando o uso de matemática avançada ou de cálculos muito trabalhosos. 

Passo 1 - Determine o Vce, Ic, Ib e o hfe mínimo e máximo do transistor que se pretende usar. O Vce é a tensão máxima entre coletor e emissor. No nosso caso vamos tomar como exemplo um transistor de uso geral como o BC548 onde esta tensão é de 30 V. Para este transistor o ganho mínimo hFE min é 110 e o máximo 800. A corrente máxima de emissor é de 100 mA. 

Passo 2 - Determinar a tensão da fonte de alimentação. Para este circuito será utilizado uma fonte: V1 =  12V / 100 mA.

Passo 3 - Determinar o ponto de trabalho do transistor. Para este projeto vamos determinar a corrente de coletor através da reta de carga, mostrado na figura 02. para isso devemos:

• Marcamos o valor máximo da tensão de coletor emissor  (Vce) no eixo horizontal, no caso 12V;
• Marcamos na sequência a máxima corrente do coletor (Ic) no eixo vertical, no caso 100 mA. 
• Interligamos os pontos e definimos o ponto de trabalho. 

Temos então: Vce = 6 V; Ic = 50 mA, Ib = 200 µA e hfe = 250.

Na operação em classe A o transistor opera no centro da reta de carga, conforme mostra a figura 2, o que significa que a tensão entre o coletor e o emissor do transistor é aproximadamente metade da tensão de alimentação. 

Cálculo das tensões dos resistores: Re, Rc, Rb1 e Rb2

Passo 4 - Fixar a tensão do resistor de emissor em 10% da tensão da fonte de alimentação.

• V Re = 0,1 x Vcc => 0,1 x 12 = 1,2 V.

Passo 5 - Calcular a tensão do resistor de coletor.

• V Rc = Vcc - (Vce + V Re) => 12 - (6 +1,2) => 12, - 7,2 = 4,8 V.

Passo 6 - Calcular a tensão de base do transistor utilizado. 

Para os transistores de silício, a queda de tensão entre base e emissor (Vbe) é de aproximadamente 0,7 volts. Isso significa que vamos fixar a tensão Vb que é igual a tensão V Rb2: 

• V Rb2 = Vbe + V Re => 0,7 + 1,2 = 1,9 V.

Passo 7 - Calcular a tensão do resistor de base Rb1.

• V Rb1 = Vcc -  V Rb2 => 12 - 1,9 => 10,1 V.

Passo 8 - Calcular as correntes dos resistores: Re, Rc, Rb1 e Rb2

Passamos agora ao cálculo da corrente nos resistores de base, isso é feito pelas seguintes fórmulas:

• I Rc = Ic => 0,050 A.
• I Re =  Ic + Ib => 0,050 + 0,0002 = 0,0502 A.
• I Rb1 = 11 x Ib => 11 x 0,0002 = 0,0022 A.
• I Rb2 = 10 x Ib => 10 x 0,0002 = 0,002 A.

Passo 9 - Calcular os resistores: Re, Rc, Rb1 e Rb2

Podemos então determinar as resistências no circuito de polarização de base do transistor usando a seguinte fórmula básica R = V/I.

• Rc = V Rc / Ic => 4,8 / 0,050 = 96 Ω.
• Re = V Re / Ie => 1,2 / 0,0502 = 23,9 Ω.
• Rb1 = V Rb1 / I Rb1 => 10,1 / 0,0022 = 4590,9 Ω.
• Rb2 = V Rb2 / I Rb2 => 1,9 / 0,002 = 950 Ω.

Passo 10 - Calcular a potência do transistor e dos resistores: Re, Rc, Rb1 e Rb2

Podemos então determinar a potência do s resistências no circuito de polarização de base do transistor usando a seguinte fórmula básica R = V/I.

• P Q1 = Vce x Ic => 6 x 0,050 = 0,3 W.
• P Rc = V Rc x Ic => 4,8 x 0,050 = 0,24 W.
• P Re = V Re x Ie => 1,2 x 0,0502 = 0,06 W.
• P Rb1 = V Rb1 x I Rb1 => 10,1 x 0,0022 = 0,02 W.
• P Rb2 = V Rb2 x I Rb2 => 1,9 x 0,002 = 0,004 W.

Passo 11 - Escolher Resistores comerciais: Re, Rc, Rb1 e Rb2

Em função dos valores calculados podemos escolher os valores comerciais dos resistores a serem usados, irei adotar potência nominal 3 vezes maior para que o resistores trabalhem frio.

• Rc = 100Ω / 1W.
• Re = 22Ω / 1/4W.
• Rb1 = 4,7 KΩ / 1/8W.
• Rb2 = 1 KΩ / 1/16W.

Se agora usando os valores dos resistores comerciais usados podemos constatar que as correntes podem apresentar uma variação de até 15% dos valores previamente calculados. Isso entretanto não afetará o funcionamento geral do circuito.

Passo 12 - Calcular os capacitores de acoplamento do amplificador

Os capacitores Ci e Co são usados ​​como capacitores de acoplamento para separar os sinais de áudio (CA) da tensão de polarização em corrente contínua (CC).

Já o capacitor de desacoplamento, Ce, incluído no circuito no terminal do emissor em paralelo ao resistor de emissor torna um curto-circuito para o resistor em sinais de alta frequência devido à sua reatância. Assim, apenas uma resistência interna muito pequena atua como resistor de emissor (re'), aumentando o ganho de tensão ao seu valor máximo. Geralmente, o valor do capacitor de Ce é escolhido para fornecer uma reatância de, no máximo, 1/10 do valor de RE na frequência de sinal operacional, para áudio 300 Hz.

• 𝐶i > 1 / 2𝜋𝑓 ⋅ 0,1 ⋅ (𝑅b1//Rb2) => 1 /  2 . 3,14 . 300 . 0,1 . ( 4700 x 1000 / ( 4700 + 1000 )) =>  1 /  188,5 . 824,6 => 1 / 155.426,2 => 0,000 006 434 F => 6,43 µF.
• 𝐶o > 1 / 2𝜋𝑓 ⋅ 0,1 ⋅ 𝑅c => 1 /  2 . 3,14 . 300 . 0,1 . 100 =>  1 / 18889,6 => 0,000 053 F => 53,05 µF.
• 𝐶i > 1 / 2𝜋𝑓 ⋅ 0,1 ⋅ 𝑅e => 1 /  2 . 3,14 . 300 . 0,1 . 22 =>  1 / 4146,90 => 0,000 241 F => 241,14 µF.

Passo 13 - Escolher capacitores comerciais: Ci, Co, e Ce.

Em função dos valores calculados podemos escolher os valores comerciais dos capacitores na série E12  a serem usados, irei adotar tensão nominal 2 vezes maior que a fonte de alimentação.

• Ci = 6,8µF / 25 V.
• Co = 56µF / 25 V.
• Ce = 270µF / 25 V.

Passo 14 - Calcular as impedâncias de entrada e saída do amplificador

A impedância de entrada corresponde ao paralelo das resistências RB1, RB2 e a resistência interna da base que é definida pela resistência re' multiplicada pela ganho de corrente do transistor.

O resistor 𝑟𝑒' corresponde a uma impedância interna no emissor do transistor, seu valor pode ser obtido dividindo a tensão térmica (VT) da junção, pela corrente do emissor (IE). A tensão térmica é indicada pelos fabricantes na folha de dados sendo seu valor de aproximadamente 25mV.

• 𝑟𝑒' = V𝑇/𝐼𝐸 = 25𝑚𝑉 / 0,0502 => 0,49 Ω.
• 𝑍𝑒𝑛𝑡 = 𝑅1‖𝑅2‖𝛽 ∙ 𝑟𝑒 => 824,56 // 250 x 0,49 => 824,56 //122,50 => 106,65 Ω.
• 𝑍𝑠𝑎í𝑑𝑎 = (𝑅𝐶‖𝑅𝐶𝐴𝑅𝐺𝐴) => 100 Ω. *Sem carga.

Passo 15 - Calcular o ganho de tensão

O ganho de tensão (Av) indica quantas vezes a tensão de saída é maior que a tensão de entrada e pode ser calculado em função das resistências do circuito.

• 𝐴𝑉=−𝑅𝐶‖r𝑒′ => -100/0,49 = - 204

O sinal negativo indica que este é um amplificador inversor e os sinais de entrada e saída possuem uma defasagem de 180° entre si.

O relatório da atividade prática está disponível em: 24_09_08 R8 Transistor configuração coletor comum BC548.

A folha de dados do transistor NPN BC548 está disponível em: 24_05_01 Transistor NPN BC546 a BC548.

© Direitos de autor. 2020: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 27/02/2021