O transistor como amplificador. Detecção e amplificação de ondas eletromagnéticas

Universidade Federal de São Carlos

Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia

Departamento de Física

Eletrônica I

Relatório Experimento 4:

O transistor como amplificador.

Detecção e amplificação de ondas eletromagnéticas

Resumo

Objetivos

 Estudar a montagem de um rádio na faixa de AM utilizando um amplificador de alto ganho em um circuito RLC, no qual a resistência deve ser baixa, visto que ela depende apenas da resistência dos componentes envolvidos no circuito tais como os fios utilizados.

Fundamentos teóricos

Primeiramente iremos esmiuçar o conceito de transmissor e entender como este funciona, para tal é de suma importância analisar o que são as ondas de rádio e como são produzidas. ¹

Quando uma corrente elétrica de alta frequência percorre um condutor que denominamos antena, em sua volta são criadas perturbações ou ondas eletromagnéticas, as quais não precisam de um meio ou suporte material para propagação, também se propagam a longas distancias basta apenas utilizarmos um condutor e um receptor. De acordo com a figura abaixo:[pic 1]

Portanto dizemos que um transmissor consiste basicamente num circuito eletrônico cuja finalidade é produzir correntes de altas frequências, já contendo as informações que devem ser transportadas e aplicar estas correntes a um sistema de antenas. O transmissor mais simples é um oscilador de alta frequência baseado normalmente num único componente.

Temos que em um transmissor de altíssima potência, o sinal gerado pelo oscilador é levado a circuitos de amplificação que ao mesmo tempo (em alguns casos) podem também dobrar a sua frequência.

No entanto, até este ponto, o sinal gerado consiste simplesmente numa alta frequência pura e não carrega informação alguma. A informação que o sinal deve carregar deve ser processada por outros circuitos, como os utilizados nesta prática.

Para o caso do som os circuitos de modulação consistem basicamente em amplificadores de áudio. Temos então um pré-amplificador no qual é ligado o microfone (ou outra fonte de áudio), uma etapa de amplificação intermediária (driver ou impulsor) e uma etapa final de potência, exatamente como nos amplificadores de uso doméstico.

A potência do amplificador deve ser da mesma ordem que a do transmissor, para que o sinal seja totalmente modulado, ou seja, para que possamos ter 100% do aproveitamento da alta frequência no transporte da informação.

No caso da modulação para um circuito LC temos o seguinte caso: o circuito quando exposto a uma alta tensão produzia uma faísca sobre o circuito que então, com muito ruído, gerava o sinal a ser transmitido por um sistema de antenas. Porem notou-se que ao injetar um sinal de áudio na portadora de alta frequência de modo a variar sua amplitude ou intensidade, avançamos em direção a um sistema modulado em tom. Nos picos do sinal de áudio, o sinal terá sua intensidade máxima (ou mínima) e nos mínimos de áudio este sinal terá intensidade mínima (ou máxima).

Para que uma transmissão deste tipo tenha máxima eficiência, ou seja, aproveite toda a potência do transmissor, precisamos ter 100% de modulação, daí dizermos anteriormente que o sinal de áudio precisa ter a mesma ordem de potência que o sinal de alta frequência a ser transmitido.

Outra técnica de modulação para a transmissão de sons é a denominada FM ou Frequência Modulada, que faz a frequência (e não a amplitude) do sinal de alta frequência variar com o sinal de baixa frequência ou áudio que deve ser transportado.

Já para as etapas amplificadoras de potencia para um setor de alta frequência podem fazer parte do próprio circuito do transmissor, aumentando a potência do sinal gerado até o valor desejado ou ainda podem ser externas, ligadas a saída do transmissor para aumentar sua potência.

Em circuitos de saída para transmitirmos todo o sinal produzido num amplificador, é preciso que a impedância de saída do transmissor seja a mesma do sistema de antena, devendo haver para tal um casamento de impedâncias......................................................................................... 

O uso de circuitos que casam a impedância do transmissor com a da antena não é apenas importante para garantir o máximo rendimento, mas também para suprimir sinais indesejáveis que poderiam ser irradiados, como por exemplo, frequências múltiplas.

Para sistemas de modulação tais como em amplitudes, precisamos fazer com que a intensidade do sinal a ser transmitido varie com a intensidade do sinal de áudio, para o caso da palavra falada, música e sons em geral.

Circuito RLC: Na pratica sabe-se que é impossível conseguirmos construir um circuito LC puro, pois o fio que constitui o indutor possui resistência, mesmo que mínima esta é capaz de tornar o circuito RLC. ³

Como o resistor é um elemento dissipativo, a energia eletromagnética total deixara de ser constante, diminuindo com o tempo, à medida que é transformada em energia térmica no resistor. Isto causara um amortecimento das oscilações que observaríamos sem a presença de R.

A figura abaixo nos permite visualizarmos um circuito RLC em serie, conectado a um gerador que fornece uma tensão senoidal de amplitude Vo e frequência angular ω.

[pic 2]

Figura 2: a)Circuito RLC alimentado por uma fonte Vg. b) comportamento temporal da tensão do gerador defasada de Φ.

Como a tensão no gerador Vg é uma função senoidal; , pode-se supor que para resolver o circuito acima a corrente tenha a seguinte forma: . I0[pic 3][pic 4]

Sendo que o ângulo Φ corresponde a defasagem temporal entre a corrente no circuito e a tensão aplicada. As tensoes no resistor, capacitor e indutor são dadas por:

•                         (1)[pic 5]
•                         (2)[pic 6]
•                         (3)[pic 7]

Aplicando a primeira lei de Kirchhoff no circuito: Vg – Vr +Vl +Vc, teremos:

                                                (4)[pic 8]

                (5)[pic 9]

        (6)[pic 10]

Reagrupando as equações obteremos:

                             (7)[pic 11]

É facil verificarmos que a relação acima é valida somente se os termos entre parenteses são nulos, portanto:

e                                    (8)[pic 12][pic 13]

Com isso podemos obter o valor da corrente de pico Io, ao elevarmos as equações (4) ao quadrado e soma-las, com isso deixarmos Io em função da amplitude (ou valor maximo) da corrente e em função de Vo (amplitude da tensão no gerador), logo podemos explicitar Io como: