Categoria: Elétrica

Durante a década de 80 o mercado brasileiro era fechado às importações. Então, somente era possível construir equipamentos baseados em componentes eletrônicos presentes em nosso país. Um pequeno punhado de empresas fabricavam equipamentos voltados para a música, as quais dominavam a cena. Eram as únicas em nosso mercado por não terem outros concorrentes estrangeiros.

Os transistores já haviam substituído as válvulas em circuitos amplificadores, embora ainda hoje tenhamos amplificadores valvulados. Mas sobre esse tema deixo para discutir em outro artigo, até porque eu também gosto muito de amplificadores valvulados.

Para que os amplificadores transistorizados conseguissem uma potência maior em sua saída, utilizavam circuitos conhecidos como push-pull. Assim, ao contrário de amplificadores classe A, no qual circula pelo transistor de saída toda o sinal a ser amplificado, nessa outra topologia o processo é diferente. O contraste se explica em razão de em vez de existir um único transistor responsável por levar o sinal até o alto-falante ou para o transformador de saída, no push-pull existem dois transistores. Estes alternam a amplificação do sinal. Assim, a onda é dividida em duas partes. Uma destas partes fica à cargo de um dos transistores, enquanto a outra segue para o segundo transistor.

No sentido de tornar essas montagens menos complexas e mais miniaturizadas, a indústria de componentes eletrônicos já estava há algumas décadas produzindo uma série de diferentes encapsulamentos. Estes são os chamados circuitos integrados, nos quais alguns modelos apresentavam-se em uma única pastilha um amplificador quase completo. Entre esses circuitos integrados voltados para o áudio encontrava-se a famosa linha conhecida pelas iniciais TDA. Existiam diferentes modelos de TDA. Entre eles, se apresentavam circuitos integrados mono, estéreo, com diferentes potências e tensões de alimentação. A maior parte era capaz de gerar watts de potência. Inclusive alguns deles tinham uma aparência que lembrava transistores de média potência (formato SIL). Como por exemplo, o TDA2002, que é capaz de produzir em sua saída cerca de 10 Watts RMS.

Mas vamos voltar a falar da topologia push-pull. Em tradução literal significa empurra e puxa. A explicação é em função do movimento do alto-falante no seu vai e vem. Esse movimento é representado pela divisão do sinal entre os 2 diferentes tipos de transistores – NPN e PNP. Já que cada transistor na saída trabalha com um tipo de sinal. Ou seja, um conduz o sinal em um sentido e o outro no sentido contrário. Também sendo denominado de amplificação Classe B. A qual tem como uma das características atingir potências maiores que na Classe A. Dessa forma dividem o sinal que será amplificado entre eles e conseguindo desta forma uma maior potência de saída. Por outro lado isso não acontece na Classe A, já que o transistor amplifica toda a onda e conduz durante todo o período.

Esses circuitos dominavam grande parte dos amplificadores dos anos 80 e 90. Lembro que meu pai me deu de presente uma caixa amplificada. Assim eu costumava ligava meu violão nela. O volume não era tão alto. Hoje reconheço o problema do circuito. A sensibilidade de entrada do amplificador era baixa. Seria necessária mais uma etapa de pré-amplificação para sinais de baixa intensidade. A etapa push-pull tinha em sua saída somente 1 transistor TIP 31 e um TIP 32. Veja que um deles é do tipo NPN e o outro PNP, ou seja, complementares, conforme exigência para funcionamento do amplificador em Classe B.

O pré-amplificador era formado por 2 transistores de pequena potência, como o BC 549. O alto falante era de dimensões até grandes, tinha 10″ (polegadas). A caixa era feita de madeira aglomerada e o tecido ortofônico era bem fininho, tipo uma meia calça feminina na cor preta. O amplificador tinha um controle de volume e um controle de tonalidade. Havia também um cabo, que não era blindado, onde no extremo existia um plugue macho P2. Esse cabo tinha uns 3 metros de comprimento. Esse plugue podia ser usado para ligar na saída de um rádio FM, por exemplo. Assim, ouvir músicas em um volume bem razoável.

Eu morava em Vila Isabel e era bem de frente para as torres do Sumaré. No Sumaré se localizam as torres de transmissão e repetidoras de sinais de rádio e televisão. Devido à essa grande proximidade com o Sumaré e ao fato do fio de 3 metros com plugue P2 não ser blindado, dava para ouvir rádio sem ter rádio. Como assim? Simples. Por morar em um local onde o sinal de rádio era muito forte, quando o amplificador estava ligado no volume máximo e com o quarto em silêncio total, bem lá no fundo dava para se ouvir uma sobreposição de várias rádios. Era algo muito baixinho por conta da potência de saída do amplificador. Para resolver o problema, um cabo blindado seria o ideal. A caixa toda tinha cerca de 60 centímetros de altura, na cor cinza. Para comutar entre a entrada de áudio pelo plugue P2 macho e o P10 fêmea do painel havia uma chave rotativa.

Para reviver o estilo desse amplificador, resolvi montar um push-pull – Classe B ao estilo da década de 80. O circuito utiliza uma alimentação de 12 Volts, a qual no meu caso é obtida por meio de uma bateria LIPO 3S. A capacidade de fornecimento dessas baterias é muito grande, o que permite que o amplificador funcione por muitas horas sem nenhuma carga.

O alto-falante utilizado é do tipo automotivo. Pensando em qualidade sonora não seria a melhor escolha. No entanto, como possuo diversos destes alto-falantes, achei que valeria a pena o teste. Seguindo a mesma abordagem da reutilização de materiais, o gabinete do amplificador é uma carcaça plástica de um antigo ventilador/aquecedor. O mesmo havia quebrado e o tamanho e formato eram perfeitos para um amplificador diferenciado.

Existem diferentes formas de polarizar um circuito amplificador com o uso de resistores, como a polarização fixa, polarização com resistor no emissor e por divisor de tensão. Aqui vamos projetar uma etapa amplificadora com 2 transistores bipolares em polarização fixa. Os transistores que serão utilizados no projeto são o BC549 e TIP 32, ambos bipolares, sendo NPN e PNP respectivamente.

A análise inicia pela chamada reta de carga do transistor BC 549. Essa informação consta no datasheet desse componente. Através da reta de carga será definido o chamado ponto quiescente, que é aquele onde o transistor irá operar. Como a intenção é realizar um projeto onde o mesmo desempenhe o papel na amplificação de áudio, existe a necessidade de procurar uma área do gráfico onde essa amplificação seja linear. Pois caso contrário, o amplificador terá muitas distorções apresentadas em sua saída. Foi então definida a alimentação a ser utilizada – 9 Volts – e foi traçada uma reta vermelha até a corrente de coletor arbitrada no valor de 40mA. Desta forma, o ponto quiescente (Q) foi definido 150 µA.

Gráfico I_c x V_CE usados para encontrar a reta de carga e o ponto quiescente

Resistores de Polarização

Como já dito, a polarização utilizada no circuito amplificador é do tipo polarização fixa. Esse tipo de polarização está sujeita a instabilidades principalmente no tocante ao calor gerado pelo transistor, fato esse que pode levar a instabilidades durante o funcionamento. Abaixo encontra-se o circuito amplificador que foi projetado em classe A com os dois transistores, NPN e o PNP.

Circuito amplificador classe A.

Cálculo dos Resistores de Polarização

O transistor TIP32 é do tipo PNP e foi ligado ao outro transistor através do chamado acoplamento direto. O coletor do TIP32 foi ligado ao alto-falante. O circuito foi montado na matriz de contatos e teve seu funcionamento verificado. Como foram realizados testes em bancada por curtos intervalos de tempo, não foi instalado dissipador de calor no transistor.

Montagem prática do amplificador classe A na matriz de contatos

A polarização realizada no transistor NPN (BC 549) pode ser alterada com a consequente modificação do valor dos resistores. Se for alterado o valor de RB, o ponto quiescente se move sobre a reta, como mostrado na figura abaixo (Boylestad; Nashelsky, 2013).

Movimento do ponto Q com valores de I_B

Pode-se também aumentar o valor de RC e nesse caso haverá um deslocamento diferente da reta de carga. Pois, “se V_CC for mantido fixo e RC aumentado, a reta de carga se deslocará como ilustrado na figura a seguir.” (Boylestad; Nashelsky, 2013, p. 152).

Efeito na reta de carga e ponto Q no aumento do valor de R_C

Uma outra possibilidade para deslocar a reta de carga, é diminuir a tensão de alimentação,. Dessa forma, ao se manter fixo os valores dos resistores também haverá deslocamento da reta de carga (Boylestad; Nashelsky, 2013).

Efeito de valores menores de V_CC na reta de carga e ponto Q

Capacitor de Acoplamento

Foi utilizado um capacitor de acoplamento no valor de 100nF de poliéster na entrada do circuito. Desta forma, não haverá instabilidades associadas com a componente contínua (CC) junto a fonte origem do sinal de áudio (um MP3 player, por exemplo).

NPN ou PNP

Ademais, mencionamos que o mesmo circuito que fora projetado poderia funcionar com transistores complementares aos utilizados. Ou seja, um transistor NPN poderia ser trocado por um PNP com as mesmas características e vice-versa. Porém, haveria necessidade de inverter a polaridade da fonte de alimentação e algum outro componente polarizado que estivesse sendo usado no circuito, como um capacitor eletrolítico, por exemplo. Ou seja, mesmo utilizando “[…] um transistor NPN, as equações e os cálculos se aplicam igualmente bem a uma configuração com transistor PNP, bastando para isso que invertamos os sentidos de correntes e polaridades das tensões.” (Boylestad; Nashelsky, 2013, p. 146).

Como Medir a Potência

Realizadas as montagens podemos verificar qual a potência RMS conseguida em cada um dos circuitos, ao alimentar com tensões diferentes. Uma forma simples de realizar essa medição é com o uso de resistores, de tal forma que a resistência ôhmica seja igual a impedância que se deseja simular.

Importante: É fato que resistência e impedância são conceitos diferentes. A impedância leva em consideração efeitos capacitivos e reativos, já a resistência não. Pode-se citar como exemplo a tentativa de medir diretamente a impedância de um alto-falante com o uso de um multímetro. Essa leitura não será precisa, pois estamos medindo somente a resistência ôhmica e não levando em consideração a parcela da reatância indutiva e até da reatância capacitiva (parasita no caso de um alto-falante).

Assim, é possível realizar um cálculo rápido para verificar a máxima potência que um amplificador de áudio pode alcançar. Pois com a medição da corrente consumida pelo circuito amplificador e a tensão aplicada na sua alimentação é possível chegar ao máximo de potência que poderia ser atingida.

O cálculo deve ser realizado seguindo a fórmula de potência, como segue:

P = V x I –> Potência = Tensão x Corrente

Porém, esse é um cálculo teórico e não leva em consideração nenhum tipo de perda. Mas ele serve para mostrar que não é possível criar energia do nada. Desta maneira, em teoria, a máxima potência que poderia ser conseguida seria o produto entre tensão e corrente.

A forma mais correta e utilizada pela indústria de amplificadores é medir a potência chamada RMS (root mean square ou eficaz). Ela corresponde a quantidade de energia que um amplificador pode entregar a uma carga trabalhando com um sinal em forma de senoide (senoidal).

Para se realizar essa medição são necessários alguns itens:

– Gerador de funções capaz de gerar ondas senoidais na frequência de 1KHz.

– Um multímetro que possua escala de Volts – CA.

– Resistor ou banco de resistores de forma a ser conseguida uma resistência ôhmica igual à carga do amplificador. Além do mais, deve-se levar em consideração a potência máxima possível de ser alcançada pelo amplificador para que os resistores possuam potência de dissipação dentro desses parâmetros.

Assim, há necessidade de que o resistor suporte a potência máxima de saída do amplificador. Porém, é sabido que os maiores resistores comerciais que podem ser encontrados situam-se na casa dos 50 Watts de potência de dissipação. Dependendo da aplicação, 50 Watts pode ser um valor pequeno. Então melhor seria estar preparado para medir potências em amplificadores mais potentes.

Sendo assim, é possível adquirir 15 resistores no valor comercial de 120 Ω x 5 Watts, cada um. Após isso, realizar a ligação em paralelo desses resistores de forma a obter uma resistência equivalente de 8 Ω, conforme cálculo mais adiante. Esse cálculo foi realizado através da fórmula usada para encontrar o valor da resistência equivalente em um circuito com associações em paralelo. Uma vez que os resistores podem ser associados em série ou paralelo. Sendo que na associação em série, a resistência equivalente corresponde ao somatório de todas as resistências ligadas.

Analisando o circuito abaixo, pode-se ver que todos os resistores estão sendo alimentados com a mesma tensão.

Resistências associadas em paralelo

Dessa forma temos:

A corrente que flui da bateria se divide ao encontrar os resistores. A intensidade com que a corrente irá circular por cada um dos resistores está ligada ao valor de cada um dos resistores. Mas segundo a Lei de Kirchhoff, a soma das correntes que entram em um nó é igual a soma das correntes que saem do nó.

Então, utilizando a Lei de Ohm (I = V / R) é possível reescrever a fórmula acima de outro jeito:

Como a tensão V está multiplicando todos os elementos, é possível usar um recurso da matemática chamado evidência e assim colocar a tensão em evidência.

Em seguida, a tensão que estava multiplicando passa para o lado esquerdo da igualdade, porém como divisão.

Pela Lei de Ohm, sabe-se que V = R x I ou R x I / V.

Passando o R para o outro lado ele vai dividindo e tem-se:

Assim substitui-se na última fórmula acima onde I_fonte / V e tem-se:

Então provada a fórmula para cálculo da resistência equivalente para ligações em paralelo, há necessidade de aplicar a mesma nos valores de resistores anteriormente citados para se chegar até as resistências necessárias para testes dos circuitos amplificadores.

Como os denominadores são todos iguais não há necessidade de realizar o MMC, dessa forma tem-se:

Quanto à potência máxima suportada por esse conjunto de 15 resistores em paralelo, temos. Novamente lembrando a Lei de Kirchhoff:

A fórmula de potência é P = V x I, ou reescrita, temos:

Substituindo na fórmula que chegou-se com a Lei de Kirchhoff:

Como o denominador é o mesmo para toda a sentença, tem-se:

Assim, fica provado que a potência é subdividida na ligação em paralelo e a associação dos resistores que serão utilizados na medição de potência chega ao seguinte cálculo:

15 resistores x 5 Watts = 75 Watts

Esses cálculos foram realizados para o primeiro conjunto de resistores que totaliza uma carga de 8 Ω, Caso a impedância desejada para os testes seja de 4 Ω, é possível realizar a construção de uma outra associação de forma a obter um conjunto que suporte uma potência máxima também elevada. Dessa forma, com 11 resistores de 47 Ω x 10 Watts, chega-se a uma resistência equivalente de 4,7 Ω, um valor aproximado de 4 Ω com o uso de resistores de valores comerciais.

Quanto à potência máxima suportada por esse conjunto de 11 resistores em paralelo, temos:

11 resistores x 10 Watts = 110 Watts

Para realizar o teste de bancada da medição da potência devem ser seguidas as seguintes etapas:

– Injetar um sinal senoidal na entrada do amplificador na frequência de 1000 Hz (1KHz). Esse sinal pode vir de um gerador de sinais ou então gerado através de um software como o Sound Forge.

– Ajustar o amplificador no volume máximo, caso o mesmo possua controle de volume.

– No lugar do alto-falante ligar a ponte de resistores que foi mostrada de acordo com a impedância que se deseja utilizar: 4 ou 8 ohms.

– Ligar a tensão de alimentação do amplificador.

– Com um multímetro na escala tensão AC, medir o valor que está sendo lido. O ideal nesse teste é utilizar um multímetro true RMS.

Maior Tensão de Trabalho, Maior Potência de Saída

Segundo a fórmula da potência, tem-se que P = V x I. Se a tensão ou a corrente aumentarem, a potência resultante também aumentará. Dessa forma, o circuito amplificador montado pode ter sua tensão elevada e dessa forma será conseguida uma potência maior de saída. Sem refazer os cálculos dos resistores de polarização fixa, no Circuit Maker a tensão foi aumentada de 9 Volts para 12 Volts (em destaque na imagem abaixo). A potência sonora conseguida foi então aumentada também segundo mostra a figura.

Efeito do aumento da potência sonora com o aumento da tensão de alimentação do amplificador.

Referências bibliográficas

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11^a Edição: São Paulo: Pearson, 2013.

CARVALHO, Antônio Carlos Lemos; SILVA, Davinson Mariano. Laboratório de eletrônica analógica e digital. 1^a Edição: São Paulo: Senai SP, 2015.

Os transistores são componentes muito importantes na história da eletrônica justamente pelo fato de tornarem possível a amplificação dos sinais. É bem verdade, que antes deles as válvulas desempenhavam esse papel. Mais especificamente as válvulas triodo, tetrodo e pentodo e outros modelos com mais elementos. Já que a válvula diodo não amplifica os sinais, mas tão somente funcionava da mesma forma que o diodo de estado sólido que temos hoje em dia.

^{No início da década de 30, o tetrodo de quatro elementos e o pentodo de cinco elementos ganharam destaque na indústria de válvulas eletrônicas. Com o passar dos anos, esse setor tornou-se um dos mais importantes, obtendo rápidos avanços em termos de projeto, técnicas de fabricação, aplicações de alta potência e alta frequência e miniaturização (Boylestad; Nashelsky, 2013, p. 115)}

Porém, com o transistor foi possível realizar a amplificação de sinais através de um componente de estado sólido.

Os transistores bipolares tidos como de pequena potência, normalmente têm o seu encapsulamento (ou invólucro) de plástico. São componentes usados com sinais de pouca intensidade e que por isso não aquecem em funcionamento. Como exemplo, temos: BC 549 e BC 238.

Uma categoria acima desta mencionada é composta pelos transistores bipolares de média potência. Esses componentes algumas vezes possuem o corpo totalmente ou parcialmente metálico. São invólucros apropriados para a instalação de dissipadores calor. Como exemplo, temos: TIP 32 e TIP 41.

Existe ainda um outro nível, onde encontram-se os chamados transistores bipolares de alta potência. São componentes criados para trabalharem com níveis maiores de tensão e corrente, resultando desta forma em mais potência. É normal seu invólucro ser totalmente metálico, pois esquentam muito em funcionamento e é imprescindível o uso de um bom dissipador de calor na maior parte das aplicações. Como exemplo, pode-se citar o 2N3055. Esse componente aparentemente possui tão somente 2 terminais, porém o terceiro elemento está ligado à sua carcaça. Esse terminal é o coletor, que normalmente é o elemento que mais esquenta. Dessa forma, existe uma melhor transferência de calor para o ambiente. Respaldando essas informações, Boylestad e Nashelsky (2013), citam: “Os transistores de construção mais robusta são dispositivos de alta potência, enquanto os que possuem um pequeno encapsulamento metálico (na forma de chapéu) ou estrutura de plástico são dispositivos de baixa ou média potência.” (p. 136).

Variedades de transistores bipolares

Ganho dos Transistores

Uma das medidas de ganho é chamada de beta cc que é definido pela razão entre a corrente corrente contínua (CC) do coletor e a corrente corrente contínua de base. Tem que: “o beta cc é conhecido também como o ganho de corrente porque uma baixa corrente da base controla uma corrente muito maior do coletor.” (MALVINO; BATES, 2007, p. 194).

Os transistores bipolares trabalham com a amplificação de correntes e dessa forma existe uma outra nomenclatura chamada de parâmetros h, ou como é muito conhecido h_FE em vez de beta cc. Não podendo esquecer “[…] dessa relação porque as folhas de dados usam o símbolo hFE para o ganho de corrente.” (MALVINO; BATES, 2007, p. 211).

Veja que esses parâmetros são iguais, onde: β_cc = h_FE

_{O ganho de corrente é a principal vantagem de um transistor e tem encontrado todos os tipos de aplicação. Para os transistores de baixa potência (abaixo de 1W), o ganho de corrente é tipicamente de 100 a 300. Os transistores de alta potência (de mais de 1W) têm geralmente ganhos de 20 a 100. (MALVINO; BATES, 2007, p. 194)}

Testes dos Transistores

Para realizar o teste de transistores existem três maneiras diferentes: por meio do traçador de curvas, usando medidores digitais e com o uso do multímetro.

Com o uso multímetro, é muito simples realizar o teste dos transistores. Porém, com o uso desse instrumento os resultados são mais limitados. Basicamente esse teste consiste em interpretar o transistor bipolar como dois diodos. O aparelho deve estar em uma escala intermediária de medida de resistência, como x100, por exemplo.

Para facilitar a análise do resultado desse teste, o uso de um multímetro analógico é mais indicado. Pois há necessidade de identificar na leitura se a resistência entre os terminais é alta ou baixa, e assim com um multímetro analógico basta olhar a região que se encontra a agulha do instrumento.

Realizar o teste do transistor com o multímetro

A mesma lógica pode ser aplicada a um transistor do tipo NPN. Dessa forma, realiza-se o teste do transistor como se estivesse testando diodos individualmente. Caso as pontas de prova entre os terminais base e coletor, assim como base e emissor sejam invertidas, o resultado esperado é o contrário ao mostrado na imagem acima. Assim, a inversão das pontas de prova entre os terminais coletor e emissor sempre gera uma alta resistência nos transistores bipolares.

Configuração de Amplificadores de Acordo com a Classe

Os circuitos amplificadores são divididos em categorias que são chamadas de classes. Dessa forma, são representados por uma série de letras: A, B, AB, C (usada só em radiofrequência), D, G e H. As classes definem padrões e características sobre as quais os circuitos funcionam. Abaixo estão listadas as principais características das três primeiras classes, que são as mais usuais em áudio, são elas A, B e AB.

Classe A

Os amplificadores que operam nessa classe trabalham com todo o ciclo do sinal para então ser amplificado. Dessa forma, existe uma limitação grande no quesito potência que pode ser conseguida com essa configuração. Na prática o rendimento de circuitos nessa classe situa-se em torno de 20%. Por estarem sempre em condução, os transistores podem aquecer bastante. Em compensação, nessa classe temos os melhores resultados sonoros, sem apresentarem distorção por crossover. Então “essa classe de operação caracteriza-se pela baixa distorção e baixo rendimento. Os transistores da etapa de potência ficam constantemente em condução.” (Bortoni, 2000, p. 64).

Região de trabalho de um amplificador operando em classe A.

Classe B

Os circuitos amplificadores que atuam com o uso dessa classe conseguem uma maior potência de saída, porém sob a pena de uma maior distorção. Nessa classe o sinal a ser amplificador é dividido entre dois transistores. Então cada um deles amplifica um semiciclo da onda. Ao final, ambos os transistores entregam seus semiciclos ao alto-falante. Como os semiciclos são separados para a amplificação, enquanto um transistor está conduzindo o outro está inoperante. Dessa forma, o aquecimento final é menor e o circuito apresenta maior rendimento se comparado com um circuito classe A. Porém, devido à forma como os transistores são polarizados, eles não interpretam corretamente os sinais situados entre o 0V e 0,7 Volts, pois nessa região os transistores são inoperantes.

Assim, temos que “cada braço da etapa de saída opera apenas por um semiciclo do sinal, o que nos faz concluir que durante o outro semiciclo o braço oposto estará fora de operação.” (BORTONI, 2000, p. 66).

Representação do bloco de operação push-pull.

Classe AB

Os amplificadores que operam na classe AB procuram tirar o melhor dos benefícios de ambas as classes. Ou seja, buscam a qualidade sonora da classe A, porém com o maior rendimento proporcionado pela classe B (Bortoni, 2000).

No circuito classe A toda a onda é amplificada pelo transistor, dessa forma são amplificados os seus 360^o. Na classe B, como já descrito, cada transistor realiza a amplificação de metade da onda ou um semiciclo, levando a 180^o. No circuito de classe AB os transistores são polarizados um pouco acima da região de corte onde o transistor é inoperante. Dessa forma, é amplificado uma onda menor do que 360^o, porém maior que 180^o.

E assim “na prática, os amplificadores Classe AB são levados a operar com características próximas ao da Classe B, com ajuste de polarização (Bias) feito no intuito de minimizar a distorção por crossover.” (Bortoni, 2000, p. 70).

Resistores de Polarização

Para que os circuitos amplificadores possam funcionar de maneira adequada há necessidade de uma correta definição de tensões e correntes nos vários pontos do circuito. Não existe mágica na amplificação dos sinais alternados – CA, levando-os a um aumento na sua amplitude.

_{É comum imaginarmos que o transistor é um dispositivo mágico capaz de aumentar o valor da entrada CA aplicada sem o auxílio de uma fonte de energia externa. Na verdade, qualquer aumento em tensão, corrente ou potência CA é resultado de uma transferência de energia das fontes CC aplicadas. (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 144)}

Dessa forma, é possível compreender que existe uma análise de CA e CC na definição dos diferentes valores dos resistores que irão levar ao ponto que deseja-se polarizar o transistor (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).

O ponto em que irá se definir como o ideal para funcionamento do circuito é chamado de ponto quiescente, também representado pela letra Q maiúscula. Onde “[…] por definição, quiescente significa em repouso, imóvel, inativo.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 145).

Capacitores de Acoplamento

Os capacitores são componentes eletrônicos que possuem a capacidade de reter cargas. No passado eram chamados de condensadores, nome esse que não é utilizado nos dias atuais na língua portuguesa.

Portanto, o “capacitor é um elemento passivo projetado para armazenar energia em seu campo elétrico.” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 190).

A essência da construção de um capacitor são duas armaduras metálicas responsáveis por armazenar as cargas elétricas. Pois “um capacitor é formado por duas placas condutoras separadas por um isolante (ou dielétrico).” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 190).

Um capacitor consegue armazenar mais cargas quanto maiores forem essas armaduras, e também o quanto mais próximo elas estiverem uma da outra, ainda sem se tocarem. Além disso, varia também de acordo com o material isolante existente entre as armaduras.

<sup>“… três fatores determinam o valor da capacitância:
1. A área das placas – quanto maior a área, maior a capacitância.
2. O espaçamento entre as placas – quanto menor o espaçamento, maior a
capacitância.
3. A permissividade do material – quanto maior a permissividade, maior a
capacitância.” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 191).</sup>

Existem diferentes tipos de capacitores e os nomes tem sua origem na sua constituição. Por exemplo, temos capacitores de poliéster que possuem como elemento separador das armaduras um tipo de poliéster. Esse elemento entre as armaduras se chama dielétrico. Além disso, a maior parte dos capacitores não possui polaridade. A exceção fica por conta dos capacitores eletrolíticos que possuem polaridade e não deve ser esquecida sob a penalidade de perda do componente caso aconteça. A unidade de medida dos capacitores é o Farad em homenagem a Michael Faraday e representada pela letra F (CARVALHO; SILVA, 2015).

Porém 1 Farad é um valor muito elevado e a maior parte das vezes é preciso representar valores bem menores. Assim, utilizamos os seus submúltiplos, onde temos:

µF – Microfarad / nF – Nanofarad / pF – Picofarad

Em respeito à capacitância, temos que “[…] é a razão entre a carga depositada em uma placa de um capacitor e a diferença de potencial entre as duas placas, medidas em farads (F).” (SADIKU; ALEXANDER, 2013, p. 190).

O capacitor é um componente amplamente utilizado nos circuitos de áudio. E falar em áudio nós devemos pensar em corrente alternada. Pois esse sinal possui uma forma de onda que se inverte de acordo com a informação musical. E os capacitores, segundo uma propriedade chamada de reatância capacitiva, permitem a circulação de corrente alternada. Considerando o valor da capacitância fixa como exemplo, essa circulação será mais intensa quanto maior for a frequência da corrente alternada que circula pelo componente.

_{A tensão de saída do coletor de um estágio é alimentada diretamente na base do estágio seguinte por meio de um capacitor de acoplamento CC. O capacitor é escolhido de modo a garantir que bloqueie sinais CC entre os estágios e atue como um curto-circuito para qualquer sinal de CA (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 175)}

Cálculo do Valor dos Capacitores de Acoplamento

O valor dos capacitores de acoplamento em circuitos amplificadores está diretamente associado com valores que não interfiram nas frequências de saída do amplificador. Ou seja, deve ser um valor que permita a passagem da componente alternada (CA – áudio), dentro da frequência que o amplificador se propõe a funcionar. Considerando um capacitor de acoplamento para uma saída de um circuito que se propõe a amplificar uma guitarra, por exemplo, podemos presumir que a frequência a ser atingida deve ser algo entre 1KHz a 5KHz (1000 Hz a 5000 Hz).

Os autores Boylestad e Nashelsky (2013) demonstram como podemos analisar a reatância capacitiva em um circuito de áudio. Assim, “para demonstrar que os capacitores são realmente equivalentes a um curto-circuito na faixa de áudio, devemos substituir uma frequência bem baixa de 100 Hz na equação de reatância de um capacitor de 56 μF.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 291)

Cálculo da reatância capacitiva do capacitor de acoplamento.

Desta forma, se for um amplificador a ser utilizado por uma guitarra elétrica podemos adotar o valor de frequência de 100 Hz (feito acima), valor bem menor do que a frequência mais baixa da guitarra. Segundo a fórmula da reatância capacitiva foi calculado o valor de 28,42 Ω. Portanto, “um valor de 28,42 Ω comparado ao de quaisquer impedâncias nessa área é certamente pequeno o suficiente para ser ignorado. Frequências maiores terão efeito ainda menor.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 175).

Capacitores de Desacoplamento

O capacitor pode se comportar como um circuito aberto ou uma resistência bem baixa. Tudo depende de como o mesmo está ligado, tipo de corrente (CA ou CC) e seu valor. Capacitores de desacoplamento são usados em diferentes aplicações. Como em um circuito amplificador que seja alimentado com pilhas. Nele existe um capacitor em paralelo com a fonte de alimentação. Nesse cenário, em algum momento a pilha ficará fraca e nessa hora é importante o uso desse capacitor que virá a eliminar possíveis oscilações da fonte no circuito evitando roncos na saída de áudio. Esse efeito é chamado de motorboarding.

Ainda dentro de fontes de alimentação é comum o uso de capacitores de elevadas capacitâncias. A intenção é eliminar resquícios da corrente alternada da rede elétrica residencial. Nesses casos, é comum o uso de capacitores eletrolíticos de elevadas capacitâncias. Devido à forma como são constituídos esses componentes, eles geram algum tipo de indutância (bem leve) e por essa razão é comum também haver um capacitor de desacoplamento do tipo cerâmico ou poliéster em paralelo de forma a curto-circuitar esse espúrio gerado, já que os mesmos deixam passar os sinais de alta frequência.

Em circuitos de áudio é comum também encontrar esse capacitor ligado, por exemplo, em paralelo com resistores de polarização do transistor. O resistor de polarização do emissor, por exemplo, fixa o ponto de funcionamento correto. O capacitor em paralelo com ele gera o efeito de ser possível abaixar a impedância da entrada e com isso se obtém maior ganho.

Manual de identificação dos terminais

Existe uma variedade transistores muito grande no mercado. Dessa forma, é comum o uso de um manual para identificar os diferentes transistores. Muitos anos atrás existiam manuais de transistores onde era possível encontrar essas informações.

Manual de transistores

Em tempos de internet, a situação se tornou bem mais fácil. Hoje basta digitar o código do componente ou buscar pelo datasheet e imediatamente conseguimos obter uma série de detalhes sobre o mesmo.

Buscando informações sobre os componentes na internet.

Dissipação de calor

Como não existe um condutor perfeito, sempre há alguma oposição à passagem da corrente elétrica. Além do mais, estamos tratando de transistores que são formados por partículas semicondutoras. Os semicondutores geram uma média oposição a passagem da corrente elétrica. Assim sendo, é comum esses componentes esquentarem quando em uso, principalmente se trabalharem próximos aos seus limites de funcionamento.

Portanto, “a máxima potência suportada por um dispositivo específico e a temperatura das suas junções estão relacionadas, uma vez que a potência dissipada pelo dispositivo provoca um aumento de temperatura em sua junção.” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589).

Em se tratando de amplificadores de áudio, quanto maior a potência que está sendo trabalhada há a tendência de que também aumente a temperatura de trabalho do transistor (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589).

Para lidar com o calor, os transistores possuem alguns mecanismos usados durante sua construção. Normalmente o cristal que mais sofre com o aquecimento é o coletor. Por isso nos transistores onde o invólucro seja de metal, o coletor está ligado eletricamente ao mesmo. Isso visa ajudar a dissipação de calor do coletor.

Além do mais, os “transistores de potência são montados em grandes encapsulamentos de metal para permitirem uma grande área pela qual o calor gerado pelo dispositivo possa irradiar (ser transferido)” (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589).

Os transistores são normalmente resfriados através do contato com o ar. Então dessa forma é importante que eles possuam um invólucro maior para existir um contato mais íntimo com o ar. Porém, criar um componente maior tão somente para essa função seria exagero, pois o mesmo ficaria mais caro e teria maiores dimensões o que atrapalharia seu uso em outras aplicações onde ele não aqueça da mesma forma. Então a solução adotada foi instalar o que é conhecido como dissipador de calor ou radiador de calor nesses componentes (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013).

Esses transistores possuem em seu invólucro um furo por onde instala-se um parafuso com porca para prender adequadamente o dissipador de calor. Os radiadores de calor são feitos de alumínio, já que esse material tem a capacidade de dissipar melhor o calor.

_{Quando o dissipador de calor é utilizado, o transistor que dissipa potência tem uma área maior para irradiar (transferir) o calor para o ar, o que mantém a temperatura do encapsulamento em um valor muito menor do que resultaria sem o uso de dissipador (BOYLESTAD; NASHELSKY, 2013, p. 589)}

É comum o uso de uma pasta térmica entre o componente e o dissipador. Essa pasta possui a cor branca e é constituída de silício. Já foi dito que é comum a parte metálica do invólucro do transistor estar eletricamente ligada ao coletor. Dessa forma, também é aconselhável utilizar o que é conhecido como isolante de mica entre o componente e o dissipador. Esse isolante deixa passar o calor, mas não conduz eletricidade.

Referências bibliográficas

BOYLESTAD, Robert; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11^a Edição: São Paulo: Pearson, 2013.

BORTONI, Rosalfonso. Amplificadores de Áudio. 1^a Edição: Rio de Janeiro: H Sheldon, 2002.

CARVALHO, Antônio Carlos Lemos; SILVA, Davinson Mariano. Laboratório de eletrônica analógica e digital. 1^a Edição: São Paulo: Senai SP, 2015.

MALVINO, Albert e BATES, David. Eletrônica. 7^a Edição: Porto Alegre: Mc Graw Hill, 2007.

SADIKU, Matthew e ALEXANDER, Charles. Fundamentos de circuitos elétricos. 5^a Edição: Porto Alegre: Mc Graw Hill, 2013.

Em um estúdio de música, existem algumas partes essenciais para o funcionamento do mesmo. Entre elas, cito a mesa de som e os monitores. Os monitores são as caixas de som utilizadas no processo da mixagem.

Essas caixas normalmente são do tipo ‘flat’. Isso significa que elas procuram manter a reprodução como foi feita durante a gravação original, sem adicionar ‘coloridos’ na música. Assim, os monitores são parte fundamental nessa dinâmica da gravação e mixagem. E como você pode perceber, pelas características dos monitores, eles não são itens baratos. É bem verdade que você pode em princípio usar qualquer caixa de som para gravar e mixar. Mas saiba que os monitores, como disse, possuem características sonoras que os distinguem.

Assim, se os monitores são caros, é melhor cuidar bem deles. Pois só assim poderemos fazer uso por anos. Isso mesmo! Saiba que os monitores são peças que podem fazer parte do seu estúdio por muitas décadas. Ao contrário de mesas de som, que a cada momento surgem novos modelos e com várias automações. Tanto que existem vários produtores que ainda utilizam-se das famosas caixas NS10 da Yamaha em seus estúdios. Esses foram monitores que ficaram muito famosos há muitas décadas (foram lançados em 1978) atrás e alguns ainda acham que são excelentes fontes de referência para gravação e mixagem.

A mesa de som, com disse, é uma outra parte muito importante desse contexto. Elas são a interface de entrada do áudio e também podem ser usadas durante a mixagem. É bem verdade que hoje você pode mixar somente utilizando softwares, mas se desejar saiba que é possível fazer esse trabalho como era realizado antigamente. Embora, grandes estúdios ainda usem a mixagem na mesa. Mas lembre-se que para mixar na mesa, você precisa também de uma placa de som que suporte vários canais, tanto para In quanto para Out.

Escolhi falar da mesa de som e dos monitores, pois um está literalmente ligado ao outro. Ou seja, o som que chega até os monitores passou anteriormente pela mesa de som. Essa relação faz com que apareça um pequeno inconveniente durante o momento em que você liga esses equipamentos. O que ocorre é que se o monitor de áudio for ligado antes da mesa de som, você ouvirá um estalo nos alto-falantes dos monitores. Esse estalo será tão maior, quanto maior for o volume em que estiverem os monitores.

Para evitar esse problema, existe um regra para ligar e desligar a mesa de som e os monitores. Portanto, na hora de ligar, iniciamos sempre pela mesa de som e depois pelos monitores de áudio. Para desligar fazemos o inverso. Ou seja, primeiro desligamos os monitores e em seguida a mesa de som.

Mas para ajudar mais ainda e você poder ligar tanto a mesa de som quanto os monitores com o uso de somente 1 chave, desenvolvi um circuito. Sim, você não vai achar ele em alguma revista ou outro site por aí. É um projeto próprio para resolver esse problema que citei.

O Circuito

O circuito pode ser analisado sob dois blocos. Um deles é responsável por acionar a mesa de som e o outro os monitores de áudio. Todos os componentes usados são comuns e fáceis de serem encontrados no comércio. Abaixo encontra-se o diagrama esquemático do circuito.

Para acionar a mesa de som e também os monitores, utilizo dois relês. Esses são relês de 1 contato reversível para uma corrente e tensão no contato, suficiente para ligar a mesa e os monitores. Assim, caso sua mesa de som consuma uma corrente de 1A sob uma tensão de 127 Volts, você precisará de um relê cujo contato suporte esses parâmetros e com alguma folga. Já a bobina do relê deve ser para uma tensão de 9 Volts.

Os diodos são de uso geral, podendo sofrer variações em seus valores sem danos ao funcionamento. Os resistores são para 1/4W, ou superior. Os dois transistores usados são do tipo NPN de uso geral, podendo ser testados variações como BC 548 e BC 549. Os capacitores são eletrolíticos com uma tensão de trabalho superior à 25 Volts. circuito foi alimentado com uma bateria de 9 Volts. Porém nada impede de utilizar uma fonte de alimentação externa.

Funcionamento do circuito:

Todo o circuito pode ser analisado e compreendido pela presença de dois temporizadores. Os transistores são levados do corte à saturação ou da saturação ao corte, no acionamento e ao desligar o relê, respectivamente. O que provoca o retardo nos dois circuitos, é a presença dos capacitores e resistores. Para ligar o monitor de áudio com retardo, o capacitor se carrega mediante o resistor o que estabelece um regime de caga controlado. Só após essa carga o transistor entra no estado de saturação. Enquanto isso, o circuito que liga a mesa de som é acionado no mesmo momento em que a alimentação do circuito é ligada. Isso se dá, pois a saturação desse transistor independe de atingir determinada carga no capacitor.

Por outro lado, no momento em que o circuito é desligado, o transistor presente no circuito do monitor de áudio é imediatamente levado ao corte. Enquanto o circuito da mesa de som desliga com um retardo. Esse retardo ocorre, pois o capacitor de elevada capacitância ligado na base do transistor, irá se descarregar por meio do resistor de base. O diodo de proteção D3 impede que essa descarga afete o circuito do monitor de áudio.

No vídeo abaixo, procurei esclarecer todo o processo de funcionamento em mais detalhes. Utilizei inclusive um software para simular o funcionamento. Lembrando que os valores dos capacitores e resistores do circuito podem ser alterados para buscar diferentes constantes de tempo de acionamento e desligamento.

O LDR é um componente que pode ser utilizado em uma grande variedade de projetos eletrônicos. Possui como característica fundamental, variar a sua resistência interna de acordo com a luminosidade (BOYLESTAD, 2004). Portanto, o acrônimo do termo LDR origina-se por meio do seu nome em inglês – Light Dependent Resistor, em tradução literal: Resistor Dependente da Luz (PUTRI; ARYZA, 2018). Assim, podemos utilizar esse componente como sensor para reagir às diferenças de luz.

Importante destacar que o LDR não é um componente polarizado (ECHEWEOZO; OKORO; NGELE, 2019). Ou seja, na hora do seu uso não há necessidade de preocupar-se com a identificação dos terminais.

Testes de funcionamento do LDR

Como dito, inclusive através do próprio nome do componente (LDR), o mesmo varia a sua resistência conforme a incidência de luz sobre a sua área na parte superior. Ou seja, a parte de cima do LDR deve estar voltada para o ambiente em que deseja-se captar a luminosidade (PUTRI; ARYZA, 2018).

Na imagem a seguir, podemos ver de forma prática como a luz modifica a resistência que está sendo medida. Para tanto, temos um multímetro digital com a escala de medição de resistência selecionada, onde o LDR foi ligado nos terminais do multímetro (ECHEWEOZO; OKORO; NGELE, 2019). Conforme a variação da luminosidade vemos o valor da resistência se modificar na leitura do multímetro.

Portanto, quando a luminosidade aumenta, há uma diminuição da resistência ôhmica apresentada na medição do LDR (BOYLESTAD, 2004).

Circuito para exemplificar o funcionamento do LDR

Através de um simples circuito, podemos verificar o funcionamento do LDR. Assim, vamos fazer um LED acender e apagar conforme a luminosidade que incide sobre o LDR. Você vai precisar de:

• 1 transistor BC 548.

• 1 resistor de 1MΩ x 1/4W.

• 1 resistor de 1kΩ x 1/4W.

• 1 LDR.

• 1 LED difuso – vermelho, verde ou amarelo.

• 1 clip para bateria de 9 Volts.

• 1 bateria de 9 Volts.

Observe no circuito abaixo, que o LDR está ligado entre a base e o emissor do transistor NPN de uso geral BC 548. Um resistor de elevado valor ôhmico (1MΩ) está ligando o positivo da alimentação até a base do mesmo transistor e também ao outro terminal do LDR.

Quando iluminamos o LDR a sua resistência é baixa deixando circular corrente pelo mesmo. Porém, conforme a luminosidade no LDR diminui, menos corrente pode circular por ele. Assim, a corrente que flui através do resistor de 1 MΩ pode circular pela base do transistor, que o leva do corte ao estado de saturação. Uma vez o transistor em saturação, o LED acende.

Abaixo está o circuito montado em uma matriz de contatos. A animação mostra ele em funcionamento. Repare que utilizo o dedo para cobrir e descobrir a superfície do LDR. Assim, podemos alterar a luz que incide no mesmo e consequentemente sua resistência interna.

Algumas observações:

• Destacamos que o resistor ligado em série com o LED no valor de 1kΩ serve como limitador de corrente para evitar a queima do mesmo.

• Embora no circuito tenha sido utilizado o transistor BC 548, é possível substituí-lo por outros equivalentes NPN de uso geral.

• Quanto ao LDR, saiba que é possível encontrá-lo em diferentes diâmetros. Quanto maior o tamanho, mais área capaz de receber luminosidade. Como consequência, maior será a sensibilidade do circuito. No circuito de exemplo que foi mostrado, um LDR de qualquer diâmetro pode ser utilizado. No exemplo demonstrado eu fiz uso de um LDR com 10 mm.

Referências

BOYLESTAD, Robert. Introdução à análise de circuitos. 10^a edição. São Paulo: Ed. Pearson – Prencite Hall, 2004.

ECHEWEOZO, E.O.; OKORO, N.O.; NGELE, P. Design, construction and calibration of automatic street light controller using Light Dependent Resistor (LDR). Journal of Applied Sciences and Environmental Management, 23(3), 457, 2019. https://doi.org/10.4314/jasem.v23i3.14

PUTRI, Maharani; ARYZA, Solly. DESIGN OF SECURITY TOOLS USING SENSOR LIGHT DEPENDENT RESISTOR (LDR) THROUGH MOBILE PHONE. International Journal for Innovative Research in Multidisciplinary Field, 2018.