A resistência de emissor em corrente alternada (r’e) é um conceito fundamental em amplificadores de pequenos sinais que utilizam transistores de junção bipolar (BJTs). Ela é derivada diretamente da operação interna do transistor e tem um impacto direto no ganho e na impedância do circuito. Além disso, há uma importante distinção a ser feita entre r’e, que é uma resistência intrínseca ao transistor, e o resistor de emissor físico (Re), um componente externo que também afeta a operação do amplificador.
Neste artigo, exploraremos como a r’e influencia o comportamento do circuito, especialmente em relação à impedância e ganho, destacando também o conceito de tensão térmica. Além disso, esclareceremos a diferença entre r’e e o resistor físico Re e como ambos podem ser usados de forma eficaz em projetos eletrônicos.
O que é a resistência de emissor em corrente alternada (r’e)?
A resistência de emissor em corrente alternada (r’e) é uma resistência inerente ao transistor BJT, que surge devido ao comportamento físico do dispositivo quando operando em pequenos sinais. Esse parâmetro está diretamente ligado à corrente de coletor (Ic) e é dado pela fórmula:
\[
r’e = \frac{V_T}{I_c}
\]
Onde \(V_T)/ é a tensão térmica, e \(I_c\) é a corrente de coletor.
A tensão térmica é um parâmetro fixo que depende da temperatura absoluta do transistor e é aproximadamente 26 mV a 27 mV em temperatura ambiente (300K). Esta constante de 26mV aparece porque o comportamento do transistor é influenciado pelas propriedades térmicas dos portadores de carga (elétrons) dentro do semicondutor. Quando a temperatura aumenta, V_T também aumenta, o que afeta o valor de r’e e, por consequência, a impedância total do circuito.
Como a tensão térmica \(V_T\) afeta o projeto do circuito?
A tensão térmica \(V_T\) desempenha um papel essencial na definição de r’e e, portanto, no comportamento de amplificadores de pequenos sinais. A r’e é inversamente proporcional à corrente de coletor, o que significa que quanto maior a corrente de coletor, menor será a r’e. Esse efeito é crítico para o desempenho de amplificadores, especialmente na sua impedância de entrada e no ganho de tensão.
Impacto prático em projetos:
- Amplificadores de Pequenos Sinais: Em projetos que envolvem amplificadores de pequenos sinais, como em pré-amplificadores de áudio ou circuitos de baixa potência, o valor de r’e influencia diretamente o ganho do amplificador. Controlar a corrente de coletor \(I_c\) permite ajustar o valor de r’e e, assim, modificar a resposta do amplificador sem a necessidade de alterar componentes externos. Esse ajuste é útil quando se deseja obter maior ganho com menor impedância de entrada.
- Estabilidade Térmica: A tensão térmica também afeta a estabilidade térmica do transistor. Como a r’e é função de \(V_T\), variações na temperatura ambiente podem alterar a resposta do circuito. No entanto, isso pode ser controlado em projetos práticos usando o resistor de emissor Re, que ajuda a estabilizar o ponto de operação e a reduzir a sensibilidade às variações de temperatura.
- Aplicações de Alta Frequência: Em circuitos de alta frequência, como os usados em telecomunicações ou em amplificadores de RF (radiofrequência), a tensão térmica e a r’e desempenham um papel fundamental no ajuste da impedância. Aqui, a menor r’e devido a altas correntes de coletor pode ajudar a reduzir perdas de potência, melhorando a eficiência do amplificador.
Como r’e Impacta a Impedância do Circuito
A resistência r’e faz parte do modelo de pequenos sinais do transistor e afeta tanto a impedância de entrada quanto a impedância de saída de um amplificador de emissor comum.
- Impedância de Entrada: A r’e contribui para a impedância de entrada do circuito, visto que a resistência aparente que o sinal “enxerga” ao entrar no transistor é influenciada por esse parâmetro. A relação entre r’e e \(I_c\) permite que projetistas ajustem a impedância de entrada controlando a corrente de coletor. Em circuitos onde se deseja uma alta impedância de entrada, r’e pode ser elevada ajustando-se a corrente de coletor para valores menores.
- Impedância de Saída: No lado da saída, o valor de r’e combinado com o resistor de emissor físico (Re) afeta a impedância total que o circuito apresenta à carga. Quanto menor for a r’e, menor será a impedância de saída, o que melhora a transferência de potência para a carga, especialmente em amplificadores de potência.
Diferença entre r’e e o Resistor Físico de Emissor \(R_e\)
A distinção entre r’e e o resistor físico Re é importante para o entendimento dos mecanismos que controlam o ganho e a estabilidade de amplificadores.
- r’e (Resistência Interna do Transistor): É uma resistência intrínseca ao transistor e não pode ser alterada diretamente, sendo determinada pela corrente de coletor e pela tensão térmica. Ela influencia diretamente o ganho e a impedância do circuito.
- Re (Resistor de Emissor Físico): Este é um componente externo, que o projetista pode escolher e ajustar para melhorar a estabilidade do circuito e controlar o ganho. O resistor físico de emissor desempenha funções como:
- Estabilização do ponto de operação: Ao definir o valor de Re, é possível estabilizar a corrente de coletor, evitando que o transistor entre em regimes indesejados de operação devido a variações térmicas.
- Redução da Distorção: O Re ajuda a melhorar a linearidade do amplificador, reduzindo distorções harmônicas em altas potências.
- Ajuste do Ganho: Re é utilizado para controlar o ganho total do amplificador. Uma fórmula comum para o ganho de tensão em um amplificador de emissor comum é:
\[
A_v = \frac{R_c}{r’e + Re}
\]
Isso mostra que o ganho pode ser ajustado aumentando ou diminuindo Re, sendo r’e um fator que varia com a corrente de coletor.
Aplicações Práticas e Benefícios
Os conceitos de r’e e Re encontram aplicações em diferentes tipos de projetos:
- Amplificadores de Áudio: Como descrito no livro “Audio Power Amplifier Design”, de Douglas Self, em amplificadores de potência de áudio, o Re desempenha um papel crucial para garantir que a amplificação seja linear e estável, minimizando distorções. Ao projetar amplificadores para alto-falantes, a combinação entre r’e e Re é usada para controlar a resposta de frequência e a impedância de saída.
- Pré-Amplificadores: Em circuitos de pequenos sinais, como pré-amplificadores usados em captadores de guitarra ou microfones, a r’e é crítica para ajustar a sensibilidade e o ganho. Projetos descritos em “Dispositivos Eletrônicos – Boylestad” mostram como a r’e pode ser usada para ajustar a resposta do pré-amplificador, permitindo um controle preciso do sinal de entrada.
- Telecomunicações: Em circuitos de alta frequência, a r’e mais baixa, devido à alta corrente de coletor, melhora a eficiência e potência de saída, enquanto o Re garante a estabilidade térmica. A combinação dos dois é crucial para projetar transmissores RF estáveis e eficientes.
Conclusão
Entender a resistência de emissor em corrente alternada (r’e) e sua relação com o resistor físico de emissor (Re) é essencial para o projeto eficaz de amplificadores em diversas aplicações, desde pequenos sinais até amplificadores de alta potência. O equilíbrio entre r’e, corrente de coletor e o resistor Re externo oferece ao projetista uma ampla flexibilidade para otimizar tanto o desempenho quanto a estabilidade térmica dos circuitos.
Vamos adicionar uma seção de referências citando os livros e capítulos relevantes que utilizamos para compor o artigo.
Referências
- Hayt, William H. – Análise de Circuitos em Engenharia, 8ª Edição
- Boylestad, Robert L. – Introdução à Análise de Circuitos, 12ª Edição
- Boylestad, Robert L. & Nashelsky, Louis – Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos
- Capítulo 5: Amplificadores em Pequenos Sinais – explica a importância da resistência de emissor (r’e) em transistores BJT e como afeta a estabilidade e a linearidade do circuito.
- Cordell, Bob – Designing Audio Power Amplifiers
- Malvino, Albert Paul – Eletrônica, 8ª Edição – Volume 1
- Malvino, Albert Paul – Eletrônica, 8ª Edição – Volume 2
- Schuler, Charles – Eletrônica I – 7ª Edição
- Self, Douglas – Audio Power Amplifier Design, 6ª Edição
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