No post 71 em cálculo do VAS eu fiquei de demonstrar com mais detalhes uma maneira de polarizar um transistor na configuração de emissor comum
em ponte de maneira prática começando do zero (lá para o cálculo do VAS já se tinha alguns valores e não foi necessário o cálculo inteiro).
No post 3 bem no início desse blog eu mostrei uma maneira bem prática, quase sem cálculo nenhum para dar valores aos resistores nessa polarização
para a maioria dos transitores pequenos de baixa potência, só ajustando os valores dos resistores empiricamente e ouvindo a qualidade sonora com o som da guitarra injetada na entrada. Já fiz dessa maneira
varias vezes quando não necessitava muita precisão.
No entanto, o ponto quiescente ideal de funcionamento do transistor na sua zona linear (entre saturação e corte) poderia não se situar perfeitamente
no meio da reta de carga.
O modo de calcular a seguir dá muito mais precisão mas requer mais dados de datasheet do transistor específico, ainda assim usando apenas a
lei de Ohm.
R = V / I I = V / R V = R X I
Tensão da fonte
Pode ser qualquer tensão suportada pelo transistor mas geralmente tem-se os valores usuais que são 5V, 9V, 10V, 12V, 15V, 18V, 24V para transistores
de pre amplificação.
Usando como exemplo uma fonte Vcc de 15V com um transistor BC550 com um beta de 200 como referência
Sabe-se que a tensão de junção entre base e emissor é de 0,6V ou 0,7V, como nunca se sabe exatamente (geralmente é 0,6V para
os transistores de muito baixa potência) é melhor adotar sempre 0,65V para todos os casos.
Corrente de Coletor Ic e de Emissor Ie
O primeiro passo é estimar uma corrente para o coletor do transistor, o valor dessa corrente deve ser estimado baseado na potência do sinal que será
aplicado na base, mais precisamente considerando o valor da tensão deste sinal pois o valor da corrente chega a ser insignificante.
Se por exemplo o sinal ja vier amplificado de algum circuito externo ou estágio de circuito anterior poderá se estimada uma corrente de até
uns 5mA. Se for um sinal muito fraco (tipo um microfone) a corrente estimada poderá ser bem baixa (uns 100uA a uns 400uA).
Um sinal de um captador de guitarra por exemplo pode estar entre uns 100mV e no muito uns 500mV mas a potência é baixa pois a corrente nesse sinal é
muito pouquinha, estimando entre 500uA a 1000uA (1mA) estaria de bom tamanho.
Essa corrente estimada para o coletor será praticamente a mesma para o emissor. A diferença que houver deve ser muito pequena (se uma diminuir a outra
aumenta).
Enquanto maior o valor escolhido para a corrente de coletor menor ficará o valor do resistor RC no cálculo.
Eu não aconselho que ao fazer o cálculo o valor de RC fique menor que uns 4K7 pois a distância entre o VCC da fonte e o VAC do sinal amplificado
ficam separados por uma resistência de valor pequeno, apesar de ter uma capacitor na saida barrando a tensão contínua, as vezes uma minima flutuação da fonte pode vazar pelo capacitor passando
ruido humm para circuito.
Se for escolhida uma corrente de coletor muito pequena certamente o valor de RC será muito alto (por exemplo acima de 100K), também não seria
legal porque R1 e R2 certamente ficariam com valores muito altos e circuito vir a ter muito sensibilidade de entrada. Se o valor de RC encontrado se situar entre 4K7 a 68K nunca deverá ter esses problemas.
Cálculo de Rc
Divide-se a tensão da fonte ao meio, assim no swing da onda do sinal de entrada os flancos negativos e positivos da onda teriam o mesmo espaço de valor
para o lado negativo e o positivo. Se ficar muito fora do meio quando houver sinal máximo a onda ceifaria a crista em um dos lados e no outro lado não.
Este meio é o ponto quiescente entre os pontos de saturação e corte do transistor.
Sendo então no meio nesse exemplo a tensão no meio exato do transistor (entre VE e VB do transistor) será 7,5V contínuos, porém
isto não significa que o swing máximo da onda alternada seria 3,75V para um lado e 3,75V para o outro lado. Poderíamos dizer que o transistor rouba um pouco da tensão para funcionar e máxima
tensão obtida na amplificação será menor do que isso dependendo do varios fatores (valor do Beta, valor escolhido para RE, valor da transcondutância, VCE de saturação).
Na melhor das hipóteses a tensão VC aparecerá como sendo 7,5V - 0,65V da junção base emissor, ou seja 6,85V assim qualquer valor
entre 6,85V e 7,5V significa que o ponto medio quiescente está num ponto mais central da reta de carga.
Como exemplo será estimado inicialmente uma corrente de 1mA
Rc = 7,5V / 0,001A = 7500Ω = 7k5
O valor de 7K5 não é um valor de resistor facilmente encontravel, podendo então aproximar para um valor de resistor mais facil de achar (6K8
ou 8K2 ou mesmo 10K) e recalcular a corrente de coletor. Escolhendo valor de 10K
I = V / R = 7,5V / 10000 = 0,00075A (esta será então a corrente estimada)
Rc = 7,5V / 0,00075A = 10000Ω = 10K
Corrente de Base Ib
Esta será o valor da corrente a ser utilizada quando for calculado R1 e R2
Dividi-se a corrente de coletor pelo beta, usando o beta pouco acima do beta mínimo, fazendo 200 para BC547 a BC550
Ib = 0,00075A / 200 = 0,00000375A = 3,75uA
Cálculo de Re
Re = Ve / Ie invertendo as posições Ie = Ve / Re mas Ie = Ic + Ib
Ie = 750uA + 3,75uA = 753,75uA = 754uA = 0,00075mA
A tensão de Ve depende do ganho que se quer, pode escolher qualquer valor entre 0,05V a cerca de 1V. O ganho final Av será muito dificil de se calcular
pois a fórmula depende da transcondutância gm o que teria que ser feito o cálculo completo e bastante complicado.
A fórmula seria GAv = - Rc / (1/gm + Re)
Costuma-se fazer o ganho ignorando gm na fórmula (sendo apenas GAv = Rc/Re) mas não é correto, só estaria próximo da verdade
se o ganho fosse de apenas umas 3 ou 4 vezes e um ganho tão pequeno não é praticamente utilizavel.
Para evitar o uso da fórmula com transcondutância estima-se o ganho empiricamente de acordo com as aproximações abaixo (com frequência
de 1Khz senoidal na entrada)
Ve = 0,5V tem-se um a ganho aproximado de 6 a 10 vezes
Ve = 0,05V o ganho será cerca de 41 vezes a 70 vezes conforme mais alta tensão VCC
Ve = 1V um ganho menor que umas 5 vezes
Escolhendo 0,5V
Re = 0,5V / 0,00075A = 666Ω
Cálculo de R1 e R2
Para este cálculo existem duas proporções para determinar as correntes nestes resistores que podem ser usadas. O que muda entre escolher uma
proporção ou a outra é uma modificação no valor do beta considerado no circuito.
9 vezes para corrente em R2 e 10 vezes para a corrente em R1, ou
6 vezes para a corrente em R2 e 6,5 vezes para a corrente em R1. Eu prefiro esta pois dá uma impedância de entrada um pouquinho mais alta. É
feito da seguinte maneira.
Corrente sobre o resistor R2 ( IR2 )
A corrente de IR2 será 6 vezes maior que a corrente de base Ib encontrada que foi de 3,75uA, assim
IR2 = 0,00000375A x 6 = 0,0000225A
Cálculo de R2
A tensão para o cálculo deverá ser a tensão da junção base-emissor que é entre 0,6V e 0,7V será feito então
usando 0,65V somada a tensão de emissor
R2 = (0,65V + 0,5) / 0,0000225A = 1,15V / 0,0000225 = 51100 = 51K
Corrente sobre o resistor R1 ( IR1 )
Faz-se IR1 cerca de 6,5 vezes a corrente de base
0,00000375A x 6,5 = 0,000024375A
Cálculo de R1
R1 = ( 15V - 1,15V) / 0,000024375A = 13,85V / 0,000024375A = 568200 = 568K
Aproximando os valores dos resistores
Neste exemplo as aproximações dos valores para valores de resistores comerciais fabricados está facil (seria 560K e 51K) mas o importante é
o fator obtido pela divisão de tensão entre R1 e R2. No exemplo 568/51 = 11,13
Se tivesse que escolher um valor de resistor fabricado de 470K para R1, então R2 seria 470k/11,13 = 42,2K (que não é um valor facil de achar
no comercio).
Se escolher 390K para R1 então R2 seria 390k/11,13 = 35K O valor mais próximo é 33K sendo que R1 teria que ser um pouco menor que 390K.
Observação: Se o cálculo tivesse sido feito com a proporção das correntes de 9 para R2 e 10 para R1 teria-se obtido valores próximos
de 390K e 35K. Com 35K em R2 a impedância de entrada fica menor do que com os 51K encontrados com a proporção de 6 e 6,5.
Foi utilizado um beta de valor 200 para o transistor BC549 (geralmento o BC549 tem um beta maior que isso), ao se mudar os valores de R1 e R2 usando o mesmo fator
mantem-se a porporção mas o beta estimado muda o valor (não muito).
Este é o meu jeito de calcular (não vai achar assim em livros) e feito dessa maneira sempre dá certo mas não se obtem exatamente o valor
do ganho final (Av), apenas o que foi estimado.
Esta configuração em ponte é muito badalada nos ensinamentos de eletrônica mas a meu ver não é a ideal (a menos que se necessite
de um ganho absurdo com apenas um transistor), a configuração autopolarização que pouco se fala nela (ver post 4) é bem mais estavel e pode-se variar o ganho mais facilmente só variando
o valor de Re. (em ponte se variar muito o Re acaba saindo tudo fora do cálculo).
