Neste projeto, mostraremos como construir um circuito tampão com um transistor. com alguns poucos resistores e capacitores.
Um “buffer” é um dispositivo que produz a mesma tensão que é alimentada nele, podendo servir para uma infinidade de usos, tais como permitir a máxima transferência de tensão e causar baixa carga de corrente a partir de uma fonte de alimentação.
Este circuito não utiliza um circuito integrado como um buffer IC.
Utiliza apenas componentes simples.
O tipo de transistor que usamos é um transistor de junção bipolar, do tipo NPN. Qualquer pode ser usado; os mais populares são o 2N3904 e o 2N2222.
O circuito transístor será configurado como um seguidor do emissor (outro nome é circuito coletor comum).
Um circuito seguidor do emissor é um circuito de transistor no qual a tensão no emissor segue a tensão de entrada. É uma imagem espelho, por assim dizer, da voltagem de entrada. Portanto, a voltagem na saída é a mesma que a voltagem na entrada.
Desde que a tensão de saída é uma imagem-espelho da tensão de entrada e a impedância de entrada é grande e a impedância de saída é pequena, o emissor segue as funções de um buffer.
Por isso, se uma linha de tensão precisa ser buffer, ela pode ser conectada à entrada deste circuito e a carga que precisa ser alimentada se conecta à saída deste circuito.
Isso é ótimo quando você não tem um chip buffer disponível ou um chip lógico que você pode converter em um buffer.
No nosso circuito, especificamente, a impedância de entrada será sobre 50KΩ e a impedância de saída será sobre 5Ω. Isto cria um efeito de buffer bastante bom em qualquer voltagem que necessite de ser armazenada em buffer.
Construiremos este tipo de circuito de transistor para atuar como buffer.
Para projetar corretamente um circuito seguidor do emissor, vários fatores devem ser levados em conta, incluindo quanta tensão DC é fornecida ao coletor do transistor, quanta corrente é desejada a ser passada através do transistor, e o corte de freqüência dos sinais AC que entram na entrada.
Veremos todos estes conceitos em muita profundidade abaixo. Vamos mostrar neste circuito como configurá-lo e como escolher os valores dos resistores e capacitores, o que é chamado de polarização do transistor.
Componentes necessários
- 2N3904 NPN transistor
- _Resistor de 1-COPY1
- 1.1KΩ resistor
- 500Ω resistor
- 16μF capacitor eletrolítico
- 1600μF capacitor eletrolítico
O transistor escolhido pode realmente ser qualquer transistor NPN BJT. Para este circuito, escolhemos o transístor 2N3904.
Para muitos dos valores dos componentes que realmente calculamos, você não será capaz de encontrar esses valores precisos. Por exemplo, abaixo calculamos um dos resistores para ser 565Ω. Este resistor não existe. Portanto, nós aproximamos. É possível encontrar um resistor 500Ω e mesmo que você não consiga colocar 2 resistores 1KΩ em paralelo para dar uma resistência equivalente a 500Ω.
A 1.1KΩ resistor também não vai encontrar. Portanto, você pode aproximá-lo do 1KΩ ou colocar um resistor 1KΩ em série com um resistor 100Ω. Para todos os fins básicos, isto não é necessário. Você pode simplesmente conectar um resistor 1KΩ ao invés do 1.1KΩ. O resultado é semelhante.
As mesmas aproximações devem ser usadas para os valores do condensador. Encontre um valor o mais próximo possível dos valores calculados para o condensador e use-os.
Circuito tampão de transistor
O circuito tampão que vamos construir com um único transistor NPN BJT e alguns resistores e capacitores é mostrado abaixo.
O circuito de placa de pão do circuito acima é mostrado abaixo. 
Então o circuito acima atua como um buffer. A linha que você quer que seja ligada ao buffer é conectada à entrada e a carga que você quer que seja ligada é conectada à saída do circuito.
Agora vamos entrar nos detalhes de porque os vários componentes são necessários para o circuito e como escolher os valores para eles.
Então a primeira coisa que vamos decidir é quanta tensão vamos fornecer a este circuito. Esta é a voltagem, VCC, aplicada ao colector do transistor. Você pode realmente escolher qualquer valor acima de VB, a voltagem base, até o valor máximo que o transistor pode suportar no coletor. Isto é tipicamente 40-60V na maioria dos transístores. Para o nosso circuito, vamos escolher um valor razoável de voltagem de 12 para VCC, portanto, esta é a primeira consideração.
Próximo, agora conhecendo VCC, nós enviesaremos a voltagem base do circuito, o que significa que selecionamos a voltagem que queremos que caia sobre a base do transistor. que valor nós queremos que caia sobre a base? Para responder a isto, olhamos para o quadro completo. A quantidade de voltagem AC que pode estar presente na saída do transistor depende da faixa de voltagem DC que o circuito tem. Um no final do espectro, o transistor pode oscilar até 12V, que é o VCC. Na outra extremidade do espectro, o transistor pode oscilar até perto da terra, cerca de 0,7V. A razão pela qual o transistor não pode oscilar totalmente para a terra é porque o transistor não irá ligar a menos que o diodo esteja ligado e isso acontece a cerca de 0,7V, a tensão de barreira para o diodo interno. Portanto, 0,7V é o piso do circuito, e não a terra ou 0V. Portanto, com uma fonte de alimentação de 12V e uma terra de 0,7V, o transistor pode oscilar de 0,7V até 12V. O que importa em relação à tensão que fornecemos à base é que qualquer que seja a voltagem que obtemos no circuito, tem um piso de 0,7V e um teto de 12V. Portanto, queremos enviesar a voltagem de base que se encontra entre estes valores. Isto dá uma excursão máxima de pico a pico para o sinal e dá-lhe mais espaço para operar sem clipagem. Se a voltagem de base for enviesada incorretamente ou bem longe do meio do caminho, o transistor pode ter um recorte significativo que produz uma má saída. Para um teto de 12V e piso de 0,7V, o valor médio seria (12 – 0,7V)/2 +0,7V= 6,35V. Temos que levar em consideração a queda de tensão do diodo porque o valor na base é 0,7V maior do que na saída. Ao enviesar a tensão de base bem no meio do teto e do piso, permite a oscilação máxima do sinal CA, chamada excursão máxima pico a pico. Ao enviesar um circuito transistor que lida com sinais AC, o sinal AC que pode aparecer na saída sem clipping é equivalente ao enviesamento do DC. O sinal AC só será capaz de oscilar até onde o viés de tensão DC o permita. Se a fonte de alimentação for 20V e o piso for 0,7V, o transistor pode oscilar de um valor de pico de 20V para um piso de 0,7V. O posicionamento do transistor no ponto médio dessas tensões permite a oscilação máxima do sinal CA do teto para o piso. Este é o ponto de operação DC ideal para o circuito, chamado ponto Q ou ponto quiescente. Se você selecionar um valor DC muito baixo, você fará com que o sinal se prenda mais cedo na parte inferior da forma de onda. Se você escolher uma tensão de operação DC muito alta, você fará com que o sinal se prenda na parte superior da forma de onda.
Então, com base neste ponto, queremos que a tensão na base esteja a meio caminho entre 12V, a tensão de alimentação, e 0,7V, que representa o piso. Para que a VB= 0.7V + (12V-0.7V)/2, que é 6.35V. Assim, para obter esta tensão, temos de escolher as nossas resistências que permitem que esta tensão apareça na base. A voltagem na base é tendenciosa através de 2 resistores. Os resistores formam um divisor de voltagem e dividem a voltagem de alimentação. Podemos dividir a nossa tensão de alimentação em qualquer tensão inferior à tensão de alimentação, escolhendo os resistores de valor correto. A tensão de base, VB= VCC * (R2/R1+R2). Para resolver esta equação, escolhemos o valor de um resistor e depois, com base nesse valor, calculamos o valor do outro resistor com base nesta fórmula. Assim, para o resistor R2 é escolhido um valor de 1KΩ, como ponto de referência para o outro resistor. Ligando estes valores à fórmula, obtemosVB= VCC * (R2/R1+R2)= 6.35V (12V) (1KΩ). /(R1+1KΩ). Fazendo as contas, isto calcula para um valor de R1= 1.1KΩ. Assim, para obter um valor de 6,35V na base, os valores dos resistores são R1 igual a 1.1KΩ e R2=1KΩ.
Próximo, temos de decidir o valor do resistor RE. O valor que escolhemos é integral para não sobreaquecer e possivelmente destruir o transistor. Como escolhemos RE é baseado no valor da corrente, IE que queremos seguir através do transistor e o que é uma corrente segura para fluir através do transistor. Então escolheremos apenas um alcance que é uma corrente segura que pode fluir através do transistor e que não a queima. Uma corrente segura é de 10mA. Essa é uma quantidade decente de corrente e uma que não vai queimar o transistor. Então o resistor emissor, RE= VE/IE, onde VE é a voltagem através do emissor e IE é a corrente que flui através do emissor. VE=VB-0.7V = 5.65V. A única diferença na tensão entre a tensão de base e a tensão do emissor é a queda de tensão do diodo entre as 2 junções. Como o transistor tem um diodo desde a base até o emissor, o transistor tem uma queda de voltagem interna. Portanto, a tensão do emissor é igual à tensão de base menos a queda de tensão através do diodo. Então a fórmula, RE= VE/IE= 5.65V/10mA= 565Ω. Portanto, um resistor RE de cerca de 500Ω seria suficiente para este circuito.
Agora temos de escolher o valor dos condensadores neste circuito. Ambos os condensadores têm a mesma função. Eles permitem apenas a passagem do sinal AC e bloqueiam a passagem do DC. Portanto, eles funcionam como capacitores de acoplamento.
Primeiro vamos mostrar como calcular o valor do condensador na entrada.
Para escolher correctamente um valor apropriado do condensador, temos de ter em conta muitas coisas, que vamos agora discutir.
Um, temos de decidir a frequência de corte do circuito. Esta é a frequência que queremos que seja filtrada. Se você está lidando com sinais sonoros, a faixa de frequência que é audível para humanos é de 20Hz a 20.000Hz. Se está a construir o nosso transístor de modo a que só queremos que os sinais audíveis passem, 20Hz é uma boa frequência de corte a escolher. Isto significa que qualquer frequência nessa gama ou inferior será filtrada para a terra. Então escolheremos 20Hz como nossa frequência de corte. Se tomarmos 20Hz e o aplicarmos à frequência angular, ω=2πf, obtemos ω=2πf≈125s-1. Esta é uma parte da equação.
A próxima coisa que devemos considerar é o valor da resistência que o condensador vê. A primeira parte deste circuito do condensador e a resistência que ele vê até a terra forma um filtro passa-alto, um filtro passa-alto RC. Um filtro passa-alto RC é um circuito composto por um condensador com uma resistência ligada à terra.
Se você visualizou corrente fluindo para o circuito, a corrente pode ir de 1 a 3 vias. A corrente pode passar através do condensador e através do resistor R2 e descer para a terra. A corrente pode passar através do condensador e através do resistor R1. Ou a corrente pode passar através do transístor e passar através do resistor RE até à terra. Pode parecer estranho que a corrente possa fluir através do resistor R1, mas os sinais AC também vêem os níveis de tensão DC como terra. Portanto, mesmo que esteja ao nível DC de 12V (através de R1), para sinais AC, também pode ser uma terra; é por isso que este também pode ser um caminho para a terra.
Então estas são as 3 maneiras que a corrente pode fluir no circuito. EVen embora a corrente possa tomar esses caminhos, é em última análise o que um condensador vê que determina a resistência real que ele encontra. Então vamos falar sobre isso agora. As resistências R1 e R2 estão em paralelo. Portanto, o condensador vê a resistência equivalente a estas duas resistências paralelas. Então, o condensador vê o 1KΩ em paralelo com o resistor 1.1KΩ. A resistência equivalente a estas resistências é aproximadamente 500Ω. Portanto, esta é a resistência que os capacitores vêem em um caminho. O outro caminho é quando a corrente passa através do transistor e através do resistor RE. Esta resistência será βRE. Com β igual a cerca de 100, fazendo esta matemática, esta resistência computa to56KΩ.
Lembrar que a corrente sempre toma o caminho de menor resistência. Assim, entre as opções de 500Ω ou 56KΩ, a corrente obviamente seguirá o caminho 500Ω.
Então 500Ω é a resistência equivalente que a rede de filtro passa-alto RC vê e nós sabemos que queremos uma frequência de corte de 20Hz. E calcular a frequência angular para 20Hz dá-nos, ω=2πf≈125s-1.
Então indo para a equação, REQC1= 1/125s-1= (500Ω)C1= 0.008s. Fazendo as contas, isto computa num valor C1 de 16µF. Então o primeiro condensador é 16µF.
Agora passamos para o segundo condensador. E é escolhido de forma semelhante ao primeiro condensador.
Queremos que o segundo condensador reaja de forma semelhante ao primeiro, em relação à frequência com que estamos a lidar. Isto é porque o mesmo sinal de frequência que é de entrada é de saída. Portanto, você quer que a resposta de freqüência corresponda para ambos os capacitores. Assim, para o condensador de saída, também o calculamos de acordo com a sua resposta de frequência de 20Hz. Computando a frequência angular, obtemos novamente, ω=2πf≈125s-1.
Usamos a mesma fórmula novamente, REQC2= 1/125s-1.
O que é REQ neste caso? REQ é a resistência que o condensador de saída vê no circuito. Olhando do condensador de volta ao lado de entrada, o condensador vê uma resistência de (R1 || R2)/β= (1.1KΩ || 1KΩ)/100= (523Ω/100) ≈ 5Ω. Assim, o condensador de saída vê uma resistência equivalente a 5Ω olhando de volta para a entrada do circuito.
Então ligando estes valores na equação, REQC2= 1/125s-1= (5Ω)C2= 0.008s. Resolvendo para C2, obtemos 1600µF. Portanto, este é o valor do condensador de saída.
E agora resolvemos para todos os valores dos componentes do circuito.
É possível ver com base nos cálculos que o circuito tem uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída. Como calculamos, a impedância de entrada é βRE, que calculamos para ser 56KΩ. A impedância de saída que calculamos ser 5Ω. Então você pode ver como este circuito tem uma alta impedância de entrada e uma baixa impedância de saída.
Então ele funciona muito bem como um buffer.
Este circuito pode ser adicionado à linha de voltagem que precisa ser tamponada, o que permite que toda a voltagem seja transferida, enquanto dá uma saída de baixa impedância para que uma carga possa ser alimentada.
Saber que este é um circuito de buffer básico. Não é tão preciso como um chip de buffer real. Para um, um chip buffer tem maior impedância e menor impedância de saída. Para outro, não é um circuito de seguimento de voltagem completamente preciso. Sendo que o transistor tem um diodo interno que tem uma queda de voltagem aproximadamente equivalente a 0.7V, perde esta tensão na saída. Assim, o sinal de saída é 0,7V menor do que o sinal de entrada. Então você pode ver que não é completamente um seguidor de voltagem.
No entanto, para todos os fins básicos, funciona muito bem como um buffer de baixa precisão.