Introdução
Os amplificadores são normalmente compostos por vários andares em cascata:
• entrada e intermédios operam com pequenos sinais.
• ao andar de saída é solicitada uma potência suficientemente elevada para excitar a carga (por ex: altifalante, tubo de raios catódicos, antenas de emissores, servomotores, ...)
• o andar de saída deve ter uma resistência de saída baixa para permitir a máxima entrega de potência à carga.
• este tipo de andares tem por objectivo um elevado rendimento com baixa distorção (Distorção harmónica total normalmente inferior a 1%.
Electrónica II – Amplificadores de Potência
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Introdução
• Uma eficiência elevada implica poucas perdas por dissipação.
• A potência dissipada no amplificador é limitada pela máxima temperatura da junção Colector-Base (150º e 200º para Silício).
• Os transístores utilizados são transístores de potência e são necessários cuidados especiais em relação às suas propriedades térmicas.
• O modelo de pequenos sinais nem sempre é aplicável.
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Classes de funcionamento
Classe A - A corrente flúi durante todo o período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor 360º)
Classe B – A corrente flúi durante aproximadamente meio período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor ≈180º)
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Classes de funcionamento
Classe AB - A corrente flúi durante mais de meio período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor entre 180º e 360º)
Classe C – A corrente flúi durante menos de meio período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor inferior a 180º e 360º). Neste caso énecessário um circuito adicional para recuperar o sinal pretendido.
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Amplificador de classe A
O seguidor de emissor polarizado por Q2tem:
IE1=I+iL.
A corrente de polarização I tem que ser maior do que a maior corrente negativa para a carga ou Q1 entra ao corte.
A equação de saída é:
Vo=vi-vBE1
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Amplificador de classe A
A figura mostra a característica de transferência do circuito.
O limite inferior é dado pela entrada de Q1 ao corte ou pelo limite da polarização.
O valor de I≥|-VCC+VCE2sat|/RLgarante que a excursão do sinal não fica limitada pela corrente de polarização.
Electrónica II – Amplificadores de Potência
Característica de transferência do circuito
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Amplificador de classe A
Desprezando os valores VCEsat, se I estiver correctamente escolhido a saída pode variar entre ±VCC (a).
Se I for escolhida para permitir a corrente máxima negativa de VCC/RL obtém-se (c).
Em (d) está representada a potência instantânea que é dada por pD1=vCE1iC1
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Eficiência do amplificador de classe A
A eficiência de um andar de saída é dada por:
Para o circuito, com uma entrada com forma de onda sinusoidal, Porms(potência de saída eficaz) é dada por:
onde Vp é o valor de pico da sinusóide.
Não considerando a potência consumida pelos elementos de polarização, a potência fornecida ao circuito é:
Logo o rendimento é dado por:
O rendimento máximo é obtido quando Vp=VCC=IRL.
Nessa situação o rendimento é de 25%.
Dado que este valor é baixo (para evitar distorção) esta classe não é muito utilizada em aplicações de potência
Electrónica II – Amplificadores de Potência
s
orms
P
P=η
LLorms R
Vp
R
VpP
2
)2/( 22
==
IVP CCs 2=
CCLVIR
Vp
4
2
=η
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Eficiência do amplificador de classe A
Considerando o circuito da figura a funcionar em classe A pode analisar-se a relação de potência:
onde Ps é a potência fornecida pela fonte de alimentação do circuito, PD é a potência dissipada no transístor, Porms é a potência eficaz fornecida pelo amplificador à carga e PDC é a potência DC dissipada nas resistências.
a potência dissipada é:
o seu valor máximo será obtido quando Porms for nula.
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vi
vo
Vcc
RL
DCormsDs PPPP ++=
L
CCL
L
CCLCDC R
VR
R
VRIP
4.)
2(
222 ===
DCormssD PPPP −−=
L
CC
L
CC
L
CCDCsDmáx R
V
R
V
R
VPPP
442
222
=−=−=
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Amplificador de classe B
• Com vi=0 nenhum dos transístores conduz e vo énulo (a tensão de polarização VBE é nula).
• Se vi excede 0.5V QN conduz e fornece corrente à carga, enquanto QP está ao corte.
• Se vi baixa de -0.5V QP conduz e QN está ao corte. Em ambos os casos o circuito funciona como um seguidor de emissor.
vo=vi-vBE
O circuito funciona como um push-pull: QN fornece corrente à carga e QP recebe corrente da carga.
Os transístores NPN e PNP são complementares (parâmetros semelhantes).
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Amplificador de classe B
A figura mostra a característica de transferência do circuito.
• Existe uma gama de valores de vi em torno de zero para os quais ambos os transístores estão ao corte.
• Esta situação dá origem à distorção de crossover que, num amplificador de áudio implica ruído.
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Amplificador de classe B
Influência da situação de não condução de ambos os transístores na saída do amplificador.
Distorção de crossover.
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Eficiência do amplificador de classe B
Ignorando o efeito da distorção de crossover, a potência eficaz entregue àcarga é:
A potência fornecida ao circuito por cada uma das fontes de tensão é dada por:
onde Im é a corrente média do circuito.
Como neste circuito quando não há condução dos transístores não háconsumo, é necessário calcular o valor médio da corrente a partir da forma de onda sinusoidal, sendo que cada transístor apenas conduz em menos de meio ciclo.
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LLorms R
Vp
R
VpP
2
)2/( 22
==
mCCs IVP =
∫=π
ααπ 0
.2
1dsenII pm
[ ]π
απ
π ppm
III == 0cos
2
1
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Eficiência do amplificador de classe B
Onde Ip=Vp/RL.
Portanto para as duas fontes obtém-se:
sendo o valor máximo fornecido pelas fontes obtido
quando Vp=VCC de:
e a eficiência do circuito em classe B é dada por:
A eficiência máxima, obtida quando Vp=VCC, é de:
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CCs
orms
V
Vp
P
P
4
πη ==
CCL
ps V
R
VP
π2=
L
CCsmáx R
VP
22
π=
%5,784
≅= πηmáx
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Dissipação de potência no amplificador de classe B
PS=PD+Porms ou PD=PS-Porms ou seja:
Cada transístor dissipa metade da potência.
Para que o circuito funcione em segurança é necessário calcular a potência máxima a que cada um pode estar sujeito.
O máximo da expressão de PD pode ser calculado através do ponto onde a derivada se anula:
Igualando a zero obtém-se:
Portanto quando Vp toma este valor os transístores estão a dissipar a máxima potência.
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LCC
L
pD R
VpV
R
VP
2
2 2
−=π
LL
CC
p
D
R
Vp
R
V
V
P−=
∂∂
π2
L
CC
L R
V
R
Vp
π2
=π
CCVVp
2=
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Dissipação de potência no amplificador de classe B
Substituindo o valor anterior na expressão de PD obtém-se o seu valor máximo: ou por transístor:
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L
CCDmáx R
VP
2
22
π=
L
CCDmáx
R
VP
2
2
π=
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Outras configurações para o amplificador de classe B
Redução de crossover.
É possível obter redução de crossover através de realimentação. Neste caso a zona em que nenhum transístor conduz é reduzida para ±0.5V/Ao, sendo Aoo ganho DC do amplificador operacional.
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Outras configurações para o amplificador de classe B
Funcionamento com uma única fonte de alimentação.
É possível utilizar amplificadores em classe B com uma única fonte de alimentação. O funcionamento é idêntico sendo as fórmulas anteriores válidas desde que se considere a alimentação simples como 2VCC.
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Amplificador de classe AB
A distorção de crossover pode ser eliminada através da polarização adequada dos transístores. Basta garantir que a tensão de polarização é suficiente para manter sempre um transístor na zona activa directa.
Um amplificador nesta classe funciona de forma muito semelhante ao de
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classe B, com a diferença de que para vi pequeno ambos os transístores conduzem e que, em termos de potência, em classe AB há sempre alguma dissipação nos transístores.
Amplificador de classe AB
A figura mostra a característica de transferência do circuito.
A distorção de crossover foi eliminada.
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Polarização do amplificador de classe AB
A figura mostra a polarização dos transístores em classe AB utilizando díodos ou transístores ligados como díodos. Neste último caso obtém-se junções com características muito semelhantes.
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Se os díodos estiverem em contacto térmico com os transístores pode-se obter uma compensação de temperatura entre as tensões de polarização e os VBEs dos transístores.
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Polarização do amplificador de classe AB
Um aumento de temperatura dá origem a um decréscimo VBE de cerca de 2mV/ºC se a corrente de colector for mantida constante.
Se VBE for mantido constante (sem compensação de temperatura) a corrente de colector aumenta. O aumento da corrente de colector leva a um aumento da dissipação de potência que por sua vez leva a um aumento da corrente de colector.
Existe aqui um efeito de realimentação positiva que pode dar origem a um fenómeno chamado thermal runaway, que pode levar à destruição do transístor.
A utilização do contacto térmico e a escolha dos díodos apropriados previne este problema.
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Polarização do amplificador de classe AB – Multiplicador de VBE
Uma forma alternativa de polarização está representada na figura.
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Desprezando a corrente de base de Q1, a corrente em R1 e R2 é a mesma:
então VBB é:
ou seja VBE é multiplicado por um factor que pode ser escolhido para polarizar o circuito como for pretendido.
1
1
R
VI BE
R =
)1()(1
2121 R
RVRRIV BERBB +=+=
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Polarização do amplificador de classe AB – Multiplicador de VBE
Outra forma de polarização passa por colocar um potenciómetro para estabelecer a corrente de colector pretendida.
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Esta solução também pode ser utilizada para obter estabilização térmica, em especial se R1=R2 e Q1 estiver em contacto térmico com os outros transístores.
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Transístores de potência
Os transístores de potência dissipam valores elevados de potência que éconvertida em calor, fazendo subir a temperatura da junção.
No entanto a junção não deverá exceder um valor máximo TJmax, caso contrário o transístor poderá ficar danificado.
Para dispositivos em silício TJmax anda na gama de 150ºC a 200ºC.
Um transístor em estado estacionário a dissipar PD watts tem uma variação da temperatura em relação ao ambiente de:
onde TJ é a temperatura da junção, TA é a temperatura ambiente e θJA é a resistência térmica entre a junção e o ambiente.
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DJAAJ PTT θ=−
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Transístores de potência
A relação descrita pela equação anterior é idêntica à lei de Ohm como esta representado na figura.
A dissipação de potência corresponde à corrente, a resistência térmica àresistência e a diferença de temperatura à diferença de potencial.
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Dissipação de potência em função da temperatura
A especificação fornecida pelo fabricante para um transístor de potência inclui normalmente TJmax à temperatura ambiente (tipicamente 25ºC) e a resistência térmica.
A figura mostra o comportamento da potência dissipada máxima em função da temperatura ambiente.
Electrónica II – Amplificadores de Potência
No caso de a temperatura de funcionamento ser superior a máxima potência dissipada deve ser calculada a partir da expressão:
JA
AJDmáx
TTP
θ−
= max
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Encapsulamento do transístor e dissipação de calor
A resistência térmica entre a junção e o ambiente pode ser expressa da seguinte forma:
onde θJC é a resistência térmica entre a junção e o encapsulamento e θCA é a resistência térmica entre o encapsulamento e ambiente.
O fabricante pode reduzir θJC colocando o transístor num encapsulamento metálico de grandes dimensões e colocando o colector em contacto com este.
O projectista não tem controlo sobre θJC mas pode ter sobre θCA. Esta resistência pode ser reduzida, facilitando a transferência de calor para o ambiente, por exemplo aparafusando o transístor ao chassis ou a uma placa metálica que funcione como dissipador.
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CAJCJA θθθ +=
Encapsulamento do transístor e dissipação de calor
Se um dissipador de calor for utilizado então a resistência térmica entre o encapsulamento e o ambiente é dado por:
onde θCS é a resistência térmica entre o encapsulamento e o dissipador e θSAé a resistência térmica entre o dissipador e o ambiente.
θCA pode ser tornado suficientemente baixo em função da escolha do dissipador. O equivalente eléctrico do processo de condução térmica estárepresentado na figura.
E é dado pela equação:
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SACSCA θθθ +=
)( SACSJCDAJ PTT θθθ ++=−
Encapsulamento do transístor e dissipação de calor
O fabricante fornece habitualmente informação sobre a variação de PDmax em função de TC e o valor de θJC.
Para cada transístor a máxima dissipação de potência a TC0 é muito superior à obtida para TA0.
Normalmente tem-se TC0≤TC≤TJmax e a dissipação de potência máxima éobtida para TJ=TJmax.
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JC
CJDmáx
TTP
θ−
= max
Variações da configuração de Classe AB
Existem diversas variações na configuração da classe AB.
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A figura mostra a utilização de dispositivos compostos, neste caso pares Darlington.Neste caso existe uma queda de tensão adicional de VBE que tem de ser compensada pelo multiplicador de VBE.
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Variações da configuração de Classe AB
Protecção de curto circuito.
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O circuito apresenta protecção de curto circuito para a situação em que o andar amplificador está a fornecer corrente.
A resistência RE1 é escolhida de forma que, se a corrente de Q1 for demasiado elevada, a queda de tensão VRE1 será suficiente para colocar Q5 à condução.
Nesta situação uma grande parte da corrente de base de Q1 será desviada para o colector de Q5, fazendo Q1 regressar a uma corrente mais baixa.
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Variações da configuração de Classe AB
Protecção térmica.
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O circuito apresenta protecção térmica de forma a ligar um determinado transístor no caso de a temperatura de referência ser excedida.
O transístor Q2 está normalmente desligado. Quando a temperatura sobe, a combinação do coeficiente positivo de temperatura do díodo zener e o coeficiente negativo de temperatura de VBE1 faz subir a tensão no emissor de Q1 e na base de Q2.
Se o circuito estiver bem configurado, nesta situação Q2 entra em funcionamento absorvendo através do seu colector a corrente de polarização do amplificador e desligando-o.