Post 77 - Configuração Autopolarização ( Self-bias ) de novo

   No post 73 eu demostrei como calculo de forma prática a polarização de um transistor em ponte (sem ser acadêmico demais). Falta então a autopolarização como se calcula de maneira mais detalhada pois de maneira bem mais simplificada eu postei logo no início deste blog (posts 3 e 4).

  A diferença principal entre a polarização em ponte e a autopolarização é que na autopolarização a polarização fica trancada, ou auto ajustada, ou automática (dai o nome auto-polarização), mesmo que se modifique a tensão DC (CC) que alimenta o circuito tudo permanece polarizado, o que muda é a corrente de coletor. É também chamada de polarização por realimentação porque o resistor de base retorna parte do sinal do coletor para a base com a fase invertida (isso diminui um pouco a amplificação em ganhos muito altos).

  Na polarização em ponte se mudar a tensão DC tem que recalcular tudo, ou seja muda todos os valores de resistores. Na realidade é chamada de polarização em ponte H porque o posicionamento dos 4 resistores ao redor forma a letra H sendo a base do transistor a linha do meio onde transita as correntes. Como não tem resistor de realimentação o ganho máximo é máximo mesmo (ver o desenho no post 73).

  O início do processo é o mesmo já explicado da polarização em ponte no post 73. Determina-se uma corrente para o coletor bem maior que a corrente que será injetada na base (baseda na potência da fonte sonora a ser amplificada levando em conta o valor da tensão AC de sinal pois a corrente é geralmente muito baixa). A partir dessa corrente calcula-se o resistor de coletor Rc. Daí para frente o processo é mais simples sem precisar de conhecer o beta (Hfe) do transistor.

  Cálculo de RC aproximado

  Assim como na polarização em ponte a tensão de alimentação será dividida por 2 para que se possa obter mais ou menos o ponto central na reta de carga, porém convém aqui somar mais alguns detalhes.

  Leva-se em conta também a tensão de saturação do transistor entre coletor e emissor (como visto no post sobre cálculo nos transistores de saida do amplificador Giannini), deve-se considerar o VCEsat que para transistores pequenos de 0,5V a 1V assim usa-se 0,7V sempre (mesmo que no datasheet mostre um valor diferente).

  Considera-se também a queda de tensão entre base e emissor 0,65V ou 0,7V (0,7 é melhor para pequenos transistores).

  Assim a queda de tensão imposta pelo resistor Rc deverá ser = VDC/2 + 0,7V + 0,7V sempre.

  Como exemplo será estimada uma corrente de 0,5mA sobre Rc e uma tensão de alimentação de 12V.

  Tensão Rc = 12V/2 + 0,7V + 0,7V = 7,4V

  Rc = V / I = 7,4V/0,0005A = 14800Ω ≈ 15K

  A tensão medida entre o coletor e o terra será ≈ 12V - 7,4V = 4,6

  Estas tensões são todas estimadas e podem variar ligeiramente conforme a corrente escolhida.

  O aumento de 0,7V + 0,7V é fixo para qualquer tensão DC e assim não sendo proporcional haverá sempre uma pequena margem de erro ao se mudar a tensão de alimentação, mas é mínimo considerando um cálculo prático.

  Cálculo do resistor de base Rb (ou de realimentação Rr)

  O resistor de base depende de quanto de corrente de sinal será permitida entrar na base, está deverá estar entre umas 50 vezes a 100 vezes menor que a corrente de emissor (geralmente uso de 70 a 100), assim no exemplo:

  Ib = 0,0005A / 100 = 0,000005A = 5uA 

  Ib = 0,0005 / 70 = 0,000007A = 7uA  (para maior corrente na base)

  No caso de ser preciso permitir uma corrente ainda maior na entrada então deve-se estimar para Ic uma corrente bem mais alta (e abaixo da corrente máxima que o coletor do transistor suporta, ver no datasheet) ou também se possivel aumentar a tensão DC da fonte.

  Então o valor de Rb será 7,4V / 0,000005 = 1480000Ω ≈ 1M5 (ou de maneira bem mais facil 100 vezes maior que Rc)

  ou com 70 vezes menor 7,4V / 0,000007 = 1057142Ω ≈ 1M (ou 70 x Rc ≈ 1M)

  Poderia ser usado até umas 10 vezes menor (Rb = 10 x Rc = 10 x 15k = 150K) mas nesta condição o ganho de amplificação cai, o ponto na reta de carga fica mais longe do centro não pemitindo um swing perfeito da onda se na entrada o sinal tiver uma tensão muito alta (umas das fases da onda poderá ter a crista cortada).

  Valores para Re

  O resistor de emissor pode ter qualquer valor até mesmo um valor igual a Rc (ganho unitário), vai depender do ganho que se quer na saida do coletor. Costuma-se referir como o ganho sendo o valor de Rc/Re mas não é bem a realidade pois a medida que se quer um ganho bem maior o ganho tende a cair bastante (começa a cair a partir de umas 25 a 30 vezes). A tabela abaixo dá mais ou menos uma ideia com 12VDC e um transistor BC550 ,o beta do transistor praticamente não influe (a menos que seja baixo demais):

  Na primeira coluna extraido num simulador no computador e na segunda na situação real com oscilador e osciloscópio associando resistores de modo a conseguir o valor da resistência obtida para Re o mais próximo possivel.

  Re = Rc         ----------- ganho =  1            ganho = 1

  Re = Rc/3      ----------- ganho =  2            ganho = 3

  Re = Rc/5      ----------- ganho = 3,4          ganho = 5

  Re = Rc/8      ----------- ganho = 5,4          ganho = 8

  Re = Rc/10    ----------- ganho = 6,7          ganho = 10

  Re = Rc/12    ----------- ganho = 8             ganho = 12

  Re = Rc/15    ----------- ganho = 10           ganho = 15

  Re = Rc/20    ----------- ganho = 13           ganho = 20

  Re = Rc/25    ----------- ganho = 16           ganho = 25

  Re = Rc/30    ----------- ganho = 18,8        ganho ≈ 28

  Re = Rc/34    ----------- ganho = 22           ganho ≈ 31,5

  Re = Rc/45    ----------- ganho = 27           ganho ≈ 39,6

  Re = Rc/55    ----------- ganho = 32           ganho ≈ 48

  Re = Rc/65    ----------- ganho = 36,6        ganho ≈ 54

  Re = Rc/75    ----------- ganho = 41           ganho ≈ 61

  Re = Rc/100  ----------- ganho = 51           ganho ≈ 76

  Re = Rc/150  ----------- ganho = 67,5        ganho ≈ 96

  Re = Rc/200  ----------- ganho = 80           ganho ≈ 100

  Re = Rc/300  ----------- ganho = 99           ganho ≈ 136

  Re = Rc/500  ----------- ganho = 121         ganho ≈ 160

  Re = Rc/1000 ---------- ganho = 145         ganho ≈ 185

  Re = zero      ----------- ganho ≈ 160         ganho ≈ 200

  Da pra ver que não dá pra confiar muito em simuladores digitais. Ao que parece o programa mostra um valor de pico mas calcula em RMS (multiplicando por 1,414 se obtém um valor próximo ao da segunda tabela).

  Diminuindo tensão de alimentação DC o ganho tende a cair e vice-versa mas nada tão exorbitante.

  Para que tudo fique estavel mesmo mudando a tensão de alimentação alguma coisa tem que mudar, a corrente que foi estimada para Rc aumenta mais ou menos linearmente quando se aumenta a tensão DC (e vice-versa). Os 500mA em 12V passa para 1000mA em 24V no exemplo.

  A corrente estimada para calcular Rc se for muito baixa dará um valor muito alto para Rc, isto fará os ganhos da tabela cairem um pouco (vice-versa se a corrente for muito alta), a tabela dá uma ideia aproximada.

  A autopolarização permite que o transistor funcione até uma tensão mais baixa que 6V (até uns 4V funciona) enquanto que na polarização em ponte 6V já é começa a ser pouco para funcionar.

  Tudo isto visto só é válido para simples pré-amplicação de sinal, caso em volta do circuito seja adicionado componentes para funcionar como filtros de frequências (tipo Sellen-Key ou outros) certamente os valores de ganhos poderão ser diferentes pois deverá ser usado as fórmulas dos filtros.