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Acoplamento (ART1869)

Se desejamos transferir um sinal de um aparelho para outro, basta interligá-los. Pode parecer muito simples, mas a coisa realmente não funciona assim. Para que o sinal passe de um aparelho a outro, ou de uma etapa para outra, certas regras devem ser observadas e elas dependem das características dos aparelhos ou circuitos. Assim, a transferência de sinal entre aparelhos ou etapas, feita por um processo denominado ACOPLAMENTO, é mais uma operação que exige conhecimentos técnicos. Neste artigo trataremos disso.

Para que uma pilha forneça energia a uma lâmpada acendendo-a, devemos acoplar estes dois dispositivos, o que em princípio é muito simples: basta usar dois pedaços de fio conforme verificamos na figura 1.

 

  Figura 1 - Acoplamento entre uma lâmpada e uma pilha
Figura 1 - Acoplamento entre uma lâmpada e uma pilha

 

Nesta operação simples, entretanto, entram em jogo alguns fatores que podem ser muito importantes para que a lâmpada acenda com o máximo de brilho e para que a pilha tenha máxima durabilidade e rendimento.

A pilha possui uma resistência interna, ou seja, uma característica própria que faz com que ela dissipe parte da energia que fornece na forma de calor. As pilhas esquentam quando fornecem correntes elevadas!

Se não observarmos esse fato, a energia dissipada na própria pilha pode ser maior do que a entregue à lâmpada, o que certamente não e' conveniente.

Se a resistência interna da pilha, por exemplo, for igual a resistência do filamento da lâmpada, 50% da energia fornecida pela pilha se perde em seu interior e 50% vai para a lâmpada, o que certamente não será muito interessante para o usuário desta fonte de energia, figura 2.

 

Figura 2 – O rendimento de um circuito depende de diversos fatores
Figura 2 – O rendimento de um circuito depende de diversos fatores

 

Para que os circuitos de eletrônica funcionem satisfatoriamente é importante levar em conta o mesmo tipo de comportamento: cada circuito se comporta de uma maneira ao receber ou transferir sinais, ou seja, apresenta uma determinada

Se ligarmos um circuito a outro de modo a poder fazer uma transferência de sinal, essa transferência pode ocorrer com perdas maiores ou menores se as características destes circuitos não "cessarem", ou seja, não forem semelhantes.

Se tivermos uma "sobra" de energia a ser transferida, esse casamento pode não ser importante, pois podemos admitir perdas.

É o caso de ligarmos um amplificador que tem uma boa saída de sinal à entrada de outro que só precisa de um pouco desse sinal para operar, figura 3.

 

   Figura 3 – Funcionamento normal, apesar das diferenças de impedâncias
Figura 3 – Funcionamento normal, apesar das diferenças de impedâncias

 

Assim, se ligarmos um pré-amplificador que tenha uma impedância de saída de 1 K ohms à entrada de um amplificador de 1 M ohms de impedância, se o pré-amplificador fornecer um sinal com amplitude suficiente para excitar o amplificador, ele funcionará perfeitamente.

Isso não ocorre se ligarmos um transmissor que tenha uma certa impedância a uma antena de impedância diferente: os sinais que não conseguem passar para esta antena refletem, perdem-se e até podem causar danos ao transmissor, figura 4.

 

   Figura 4 – Perdas causadas pela reflexão de sinais
Figura 4 – Perdas causadas pela reflexão de sinais

 

As técnicas que visam casar as impedâncias dos circuitos de modo que os sinais possam passar sem perdas variam bastante. O leitor vai conhecer algumas delas no item seguinte.

 

ACOPLAMENTO ENTRE ETAPAS

Levando em conta que os sinais com que os aparelhos normalmente trabalham são correntes de baixas ou de altas freqüências e que as etapas desses aparelhos são polarizadas por correntes continuas, no acoplamento entre as etapas devemos levar em conta dois fatores:

- a passagem do sinal

- a retenção da polarização conünua

Entretanto, estes fatores não precisam ser sempre obedecidos, conforme veremos a seguir nos diversos tipos de acoplamento que existem.

 

ACOPLAMENTO RC

O tipo mais comum de acoplamento nos circuitos de áudio e de RF até uma freqüência relativamente elevada é o RC. O nome pode ser facilmente explicado se dermos uma olhada na figura 5.

 

   Figura 5 – Acoplamento RC
Figura 5 – Acoplamento RC

 

Temos um resistor que polariza o componente de saída da etapa anterior, de onde deve sair o sinal, deixando passar a corrente suficientemente alta para impedir a passagem do sinal.

O capacitor, entretanto, apresenta uma baixa impedância para o sinal que deve ser transferido (seu valor deve ser escolhido para que isso ocorra – um capacitor de picofarads se for um circuito de RF e de microfarads se for um circuito de áudio), enquanto que a corrente continua de polarização da etapa anterior não passa para a seguinte.

O principal problema deste tipo de acoplamento é o seu baixo rendimento na transferência do sinal. Normalmente as impedâncias de saída das etapas transistorizadas em emissor comum são mais altas que as de entrada do mesmo tipo de etapa.

Assim, as impedâncias "não casam" e temos uma perda considerável no sinal transferido. Entretanto se, por exemplo, a etapa anterior amplificar 50 vezes um sinal e na transferência perdermos 30, ainda assim sobram 20 que justificam seu emprego.

Se o projetista não estiver muito interessado em aproveitar o máximo dos componentes, o que vai acontecer é que, um amplificador que poderia usar duas etapas, se o acoplamento entre elas tivesse maior rendimento, precisará de 3 etapas para compensar as perdas, se usar a técnica RC, figura 6.

 

Figura 6 – Compensando as perdas com mais etapas
Figura 6 – Compensando as perdas com mais etapas

 

Se tivermos que apontar alguma vantagem, será simples: capacitores e resistores usados neste tipo de acoplamento são pequenos e custam barato.

 

ACOPLAMENTO LC

Uma boa melhoria na transferência de sinais pode ser obtida se usarmos em lugar do resistor, um indutor (L). Obteremos então o acoplamento LC que é mostrado na figura 7.

 

Figura 7 – O acoplamento LC
Figura 7 – O acoplamento LC

 

Neste caso o indutor apresenta uma resistência muito baixa (praticamente nula, se desprezarmos a resistência do fio usado na sua construção) para a polarização que é obtida por corrente continua. No entanto, para os sinais, sua impedância será muito alta, impedindo assim que eles se percam passando para a fonte.

O capacitor pode então transferir com muito mais facilidade os sinais para a etapa seguinte, com um melhor rendimento em relação a configuração anterior.

A desvantagem principal deste tipo de acoplamento está no fato de que indutores para baixas frequências exigem milhares de espiras de fio em núcleos pesados e volumosos. Em outras palavras, em baixas frequências o uso dos indutores é inviável.

Nos circuitos de altas frequências, entretanto, os indutores são menores e mais simples, pois usam poucas espiras de fio, e por isso podem ser usados na prática. É o que ocorre: em boa quantidade de circuitos de RF onde os sinais são transferidos de uma etapa para outra por este tipo de acoplamento;

 

ACOPLAMENTO POR TRANSFORMADOR

Uma maneira simples de acoplar duas etapas de um circuito que permite casar de forma ideal suas impedâncias é a que faz uso de um transformador.

Na figura 8 mostramos este tipo de acoplamento.

 

   Figura 8 – Acoplamento por transformador
Figura 8 – Acoplamento por transformador

 

O transformador, além de isolar o componente de polarização (que é uma corrente contínua) entre as duas etapas, pois ela não passa neste componente, pode ser dimensionado de modo que cada enrolamento tenha a impedância ideal. Assim, o enrolamento primário terá a impedância da etapa que fornece o sinal e o enrolamento secundário terá a impedância da etapa que recebe o sinal.

O rendimento na transferência de um sinal usando este processo pode chegar a 90%, o que é muito bom se desejarmos obter o máximo de um circuito.

No entanto, ao lado das vantagens de uma transferência quase total do sinal, temos as desvantagens:

A desvantagem principal é a que ocorre em circuitos de áudio, ou seja, em baixas frequências. Neste caso, o transformador de acoplamento é caro, volumoso e ocupa bastante espaço no aparelho.

Para uma transferência de sinal de uma etapa impulsora (driver) para uma etapa de saída de um amplificador de alta potência, pode ser necessário usar um transformador que pesa vários quilos, figura 9.

 

Figura 9 – Transformadores ultra-lineares de um amplificador
Figura 9 – Transformadores ultra-lineares de um amplificador

 

 

Nos amplificadores valvulados antigos, eram utilizados transformadores ultra-lineares enormes, caros e muito pesados, pois eram construídos com técnicas especiais que permitiam a transferência dos sinais sem distorções.

Em alguns rádios transistorizados ainda encontramos transformadores drivers de pequenas dimensões, mas por serem caros e de difícil fabricação estão desaparecendo do mercado, não sendo fácil encontrá-los até mesmo para reposição.

Nos circuitos de altas frequências, entretanto, o transformador é a melhor solução para o acoplamento: os transformadores usam poucas espiras de fio e às vezes nem necessitam de núcleos, figura 10.

 

  Figura 10 – Os transformadores de RF
Figura 10 – Os transformadores de RF

 

 

ACOPLAMENTO DIRETO

Em alguns casos podemos aproveitar a mesma polarização para duas etapas amplificadoras, quando se torna possível fazer o acoplamento direto, conforme mostra a figura 11.

 

Figura 11 – Acoplamento direto
Figura 11 – Acoplamento direto

 

Nesta figura 11 temos um típico acoplamento direto que é possível com maior facilidade pelo fato de existirem transistores complementares. Com as válvulas, esta configuração não é possível da forma indicada, pois não existem válvulas NPN e PNP .Todas conduzem a corrente no mesmo sentido.

 

Na figura 12 temos uma outra forma de acoplamento direto entre transistores que permite uma grande multiplicação de ganho.

Esta configuração é denominada "Darlington" e tem sido bastante usada em nossos projetos, graças ,as suas excelentes características.

 

   Figura 12 – Configuração ou acoplamento Darlington
Figura 12 – Configuração ou acoplamento Darlington

 

Por exemplo, se ligarmos numa etapa Darlington, dois transistores de ganho 50 o resultado é um ganho final de 2 500 (50 vezes 50).

Esta etapa também permite multiplicar a impedância de entrada de um circuito amplificador. Se, conforme observamos na figura 13, ligarmos na sua saída de emissor (coletor comum), um resistor de 1 K ohms como carga e os transistores forem os mesmos de ganho 50 do exemplo anterior, a impedância da entrada ficará multiplicada por 2 500.

 

Figura 13 – Multiplicação da impedância.
Figura 13 – Multiplicação da impedância.

 

O resultado é que a impedância de entrada será 1 000 ohms da saída, multiplicado por 2 500, ou seja, teremos 2 500 000 ohms de impedância de entrada neste circuito.

Evidentemente, esta etapa tem suas desvantagens também:

Uma delas é o fato do equilíbrio da polarização entre os componentes ser algo crítico. A polarização do segundo transistor depende da polarização do primeiro.

Assim, se algo acontecer num circuito, os dois transistores ou as duas etapas deixam de funcionar, algumas vezes com sérias conseqüências!

Num tipo de acoplamento direto, como o mostrado na figura 14 denominado simetria complementar, o desequilíbrio do transistor excitador pode facilmente levar os transistores de saída a queima, pela circulação de correntes excessivas, figura 14.

 

   Figura 14 – Acoplamento em simetria complementar
Figura 14 – Acoplamento em simetria complementar

 

Outra desvantagem deste tipo de acoplamento está no fato de que se torna difícil aproveitar todo o ganho dos transistores usados.

O sinal passa, mas nem sempre os transistores podem trabalhar perfeitamente com estes sinais e o rendimento tende a ser baixo.

 

ACOPLAMENTO ENTRE APARELHOS OU DISPOSITIVOS EXTERNOS

O leitor já deve ter percebido como é importante observar cuidadosamente as características dos circuitos antes de ligarmos uns aos outros. Isso também é válido quando trabalhamos externamente a um circuito, ou seja, ligando aparelhos uns aos outros ou mesmo dispositivos de entrada e de saída tais como alto-falantes, fones, microfones, etc..

Se as regras do acoplamento perfeito não forem obedecidas diversos problemas podem ocorrer. A seguir, vamos analisar alguns casos importantes:

 

ALTO-FALANTE

Os alto-falantes e fones são dispositivos de baixas impedâncias, portanto sua conexão deve ser feita a saídas de circuitos de baixas impedâncias.

Para os amplificadores, os alto-falantes ou fontes podem ter impedâncias maiores do que a saída, se bem que a potência fique reduzida, isso não causa sobrecargas. No entanto, se a impedância for menor, haverá sobrecarga com o perigo de danos para o amplificador, veja a figura 15.

 

Figura 15 – Ligação de amplificadores aos alto-falantes
Figura 15 – Ligação de amplificadores aos alto-falantes

 

Podemos ligar um alto-falante de 8 ohms numa saída de 4 ohms, mas não um de 4 ohms numa de 8 ohms.

Veja na figura 16 que, ligando em série os alto-falantes, suas impedâncias são somadas e se forem ligados em paralelo, a impedância fica reduzida.

 

Figura 16 – A ligação dos alto-falantes
Figura 16 – A ligação dos alto-falantes

 

 

ANTENAS

As antenas transmissoras possuem uma certa impedância que deve casar com a impedância de saída do circuito transmissor. Se isso não ocorrer o sinal não será irradiado totalmente e podem ocorrer reflexões que resultam em ondas estacionárias.

Estas ondas causam um "retorno" da energia que deve ser irradiada e acaba por se transformar em calor nos componentes de saída do circuito.

Os transistores de saída podem então sofrer uma sobrecarga com perigo de queima se isso acontecer.

 

MICROFONES

Microfones e outros transdutores como cápsulas fonográficas, captadores de instrumentos musicais possuem uma certa impedância que determina a quantidade de energia e a maneira como essa energia pode ser transferida para a entrada de um amplificador.

Se a impedância de um desses dispositivos não casar com a entrada do amplificador a energia não pode ser transferida, não havendo excitação e o circuito não alcançará sua potência máxima.

 

 

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