Eletrônica II

Amplificadores de Potência

Notas de AulaJosé Maria P. de Menezes Jr.

Amplificadores

Amplificador é um equipamento que utiliza uma pequena quantidade de energia para controlaruma quantidade maior, apesar do termo atualmente se referir a amplificadores eletrônicos.

Amplificadores eletrônicosO tipo de amplificador mais comum é o eletrônico, comumente usado em transmissores ereceptores de rádio e televisão, equipamentos estéreo de alta fidelidade (high-fidelity ou hi-fi),microcomputadores e outros equipamentos eletrônicos digitais, e guitarras e outros instrumentosmusicais elétricos. Seus componentes principais são dispositivos ativos, tais como válvulas outransistores.Em alta fidelidade o amplificador é um aparelho eletrônico que eleva os níveis de tensão dossinais de áudio.

Amplificadores operacionais (ampops)Amplificadores Operacionais são amplificadores diferenciais DC de alto desempenho: alto ganho,alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e grande resposta em frequência. Foramcriados para implementar computadores analógicos, executando operações matemáticas (dondederivam seu nome) com valores de tensões como operandos e resultados.

Definções

Em amplificadores de pequenos sinais as principais caracteristicas são

• ampliação• linearidade• ganho

Amplificadores de grandes sinais ou de potência funcionam principalmente para fornecer energia suficiente para acionar o dispositivo de saída. Estes circuitos amplificadores irão lidar com grandes sinais de tensão e altos níveis de corrente. As principais caracteristicas são

• Eficiência• capacidade máxima de potência• impedância para o dispositivo de saída

Principais Tipos de Amplificadores

• Class A• Class B• Class AB• Class C• Class D

Amplificador Classe A

A saída de um amplificador Classe A realiza 360º completos de oscilação de saída.

O ponto Q (nível de polarização) devem ser orientadas para o meio da linha de carga para que o sinal AC pode balançar um ciclo completo. Lembre-se que a linha de carga DC indica os limites máximos e mínimos estabelecidos pela fonte de alimentação DC.

Amplificador Classe BA saída do amplificador Classe B só conduz para 180º ou ½ do sinal de entrada.

O ponto Q (nível de polarização) é a 0V na linha de carga, de modo que o sinal AC só pode oscilar por meio de um ciclo.

Amplificador Classe AB

Este amplificador está entre os de classe A e classe B. O ponto Q (nível de polarização) está acima da Classe B, mas abaixo do Classe A.

A oscilação do sinal de saída ocorre entre 180 ºe 360 º do sinal de entrada AC.

Classe C

A saída do Classe C conduz menos de 180 º do ciclo de corrente alternada. O ponto Q (nível de polarização) é o nível de corte, o sinal de saída é muito pequeno.

Utilizada em áreas especiais de de circuitos sintonizados, tais como rádio ou comunicações.

Classe D

A classe D é utiliza sinais pulsados. Ligados por um curto intervalo de tempo e desligados por um longo intervalo de tempo.

Eficiência do Amplificador

Eficiência se refere à razão da potência da entrada em relaçõa a potência na saída.

Amplificador Classe A com realimentação-série

Este é similar ao amplificador de pequenos sinais, exceto que ele vai lidar com tensões mais elevadas. O transistor utilizado é um transistor de alta potência.

Polarização DC?

Operação AC

Um sinal de entrada fará com que a tensão de saída deva variar a um máximo de Vcc e um mínimo de 0V. A corrente também poderá oscilar de 0 mA a (Vcc / RC)

Potência de Entrada

A alimentação do amplificador é fornecida pela fonte DC. Sem sinal de entrada, a corrente drenada é a de polarização do coletor, ICQ.

Potência de Entrada: [Formula 15.4]

Mesmo com um sinal AC aplicado, a corrente média drenada da fonte permanece a mesma.

CQCCi IV(dc)P

Potência de saída

Potência AC liberada para a carga (Rc)

Sinais rms Pico de sinais

Sinais pico-a-pico

Eficiência

[Formula 15.8]

A eficiência máxima é a saída máxima e oscilações de corrente.Que é de 25% para um Amplificador classe A.

Eficiência Máxima?

Com Vce(p-p) = Vcc

Como se chega a 25%?

Exemplo 16.1

100Pi(ac)Po(ac)%η

Amplificador Classe A com

acoplamento a transformador

Este circuito usa um transformador para acoplar à carga. Isso melhora da eficiência da Classe A para 50%.

Ação do Transformador

O transformador melhora a eficiência por causa da transformação de tensão e corrente através do transformador.

Relação de Voltagem: [Formula 15.9]

Relação de Corrente: [Formula 15.10]

Lembre-se que os transformadores modifica tensão, corrente e impedância.

Relação de Impedância: [Formula 15.11]

Como se chega nesta relação de Impedância??

Exemplo 16.2

1

2

1

2

NN

VV

2

1

1

2

NN

II

22

2

1

2

1

L

L aNN

RR

RR

Operação do Estágio Amplificador

Reta de carga AC O ponto de saturação (ICmax) é agora Vcc/RL e o ponto de corte é V2 (voltagem do secundario do transformador).

Isso aumenta a polarização balanço de saída máxima, porque os valores mínimo e máximo de IC e VCE estão muito afastados.

Reta de carga DCComo em todos os amplificadoresClasse A, oponto Q é estabelecidoperto do ponto médio da linha decarga DC.

Resistência DC do transformador ébaixa.

Não há queda de tensão através daresistência de carga.

Oscilação do sinal e potência de saída AC

Oscilação pico-a-pico: VCE(p-p) = VCEmax – VCEmin

Oscilação de corrente: ICmax – Icmin

Potência AC: [Formula 15.13]

Pode também ser calculada usando-se a tensão liberada pela carga

8min)Imaxmin)(IVmax(V(ac)P CCCECE

o

Exemplo 16.4

Eficiência

Potência de entrada da fonte DC: [Formula 15.14]

Potência dissipada como calor através do transistor:

[Formula 15.15]

Nota: Quanto maior o sinal de entrada e saída, menor dissipação da calor.

A eficiência maxima :

[Formula 15.16]

Nota: quanto maior o valor de VCEmax e menor o valor de VCEmin, mais próximo a eficiência se aproxima da teorica de 50%.

CQCCi IV(dc)P

(ac)P(dc)PP oiQ

2

CECE

CECE

minVmaxVminVmaxV50%η

Amplificador Classe B

Na Classe B, a polarização DC do transistor deixa polarizado clase cortado. O transistor liga quando o sinal AC é aplicado. Isto é, essencialmente, sem polarização, e o transistor conduz corrente por apenas meio ciclo do sinal.

Para se obter saída para um ciclo completo de sinal, é necessário usar dois transistores e ter cada um conduzindo em meio ciclos opostos, operação combinada fornece um ciclo completo do sinal de saída.

Amplificador Classe B: Eficiência

A maxima eficiência do classe B é 78.5%.

% = Po(AC)/Pi(DC) *100

Potência de Entrada

[Formula 15.19]

Potência de Saída

Para maxima potência VL = Vcc e Ip=VL / Rl

Eficiência?

L

CC2

o2RV(ac) Pmaximum

L

CC2

L

CCCCdcCCi

R2V

R2VV)(maximumIV(dc)maximumP

ππ

Potência Dissipada

É a potência dissipada em forma de calor.

Diferença entre potência de saída e potência de entrada

Qual a máxima potência dissipada?

Amplificador Classe B - Push-Pull

Transformador de entrada com derivação central para produzir sinais de polaridades opostas para os dois transistores de entrada e um transdormador de saída para acionar a carga num modo de operação push-pull.

Circuitos de Amplificadores Classe B

Durante a metade positiva do ciclo de entrada AC:Transistor Q1 (npn) está conduzindo e Q2 (pnp) está desligado.

Durante a metade negativa do ciclo de entrada AC:Transistor Q2 (pnp) está conduzido e Q1 (npn) está desligado.

Cada transistor produz ½ de um ciclo AC. O transformador combina as duas saídas para formar um ciclo de AC completo.

Distorção Crossover

Se os transistores Q1 e Q2 não ligarem e desligarem exatamente ao mesmo tempo, então existirá uma lacuna na tensão de saída.

Distorção do Amplificador

Se a saída de um amplificador não é uma onda senoidal AC completa (360º), então ele está distorcendo o sinal resultante.

Isto ocorre muitas vezes porque o amplificador é não-linear. Pode ocorrer em todas as classes de amplificadores.

Distorção também pode ocorrer porque os elementos do circuito e dispositivos respondem a um sinal de entrada de forma diferente em várias freqüências.

Esta distorção pode ser analisado através da análise de Fourier.

Na análise de Fourier, qualquer forma de onda distorcida periódico pode ser decomposto em componentes de freqüência.

Esses componentes são harmônicos da freqüência fundamental.

Harmônicos

Harmônicas são múltiplos inteiros da frequência fundamental.

Freqüência fundamental: 5kHz1º harmônico: 1 x 5kHz2º harmônico: 2 x 5kHz3º harmônico: 3 x 5kHz4º harmônico: 4 x 5kHzetc

Observe que o primeiro e terceiro harmônicos são chamados harmónicos ímpares ea 2º e 4º são chamados harmônicos pares.

Distorção Harmônica

De acordo com a análise de Fourier se o sinal não é uma onda senoidal AC completo, então ele contém harmônicos.

Cálculo da Distorção Harmônica

Esta distorção harmônica (D) pode ser calculado:

[Formula 15.30]

onde A1 é a amplitude da freqüência fundamental e e An é a amplitude do maior harmônico.A distorção harmônica total (THD):

[Formula 15.31]

100AA%Ddistortion harmonic %nth

1

nn

100...DDD%THD 24

23

22

Distorção do Segundo Harmônico

Forma de onda aproximada de um sinal distorcido:

No ponto 1 (wt = 0)

No ponto 2 (wt = ¶/2)

No ponto 3 (wt = ¶)

tItIIII CQC 2coscos 210

Dissipador de transistor de potênciaTransistores de alta potência dissipada umagrande quantidade de energia em calor. Isso pode serdestrutivo para da do amplificador, bemcomo para os componentes próximos.

Estes transistores requerem dissipadores.

Amplificador Classe C

• Um amplificador Classe C conduz por menos de 180 º. A fim de produzir uma saída de onda senoidal completa, a Classe C usa uma circuito sintonizado para fornecer a onda senoidal AC completo.• Limitador a uma faixa fixa de frequencia.• O Classe C é amplamente utilizado em circuitos de comunicações e de rádio.

Um do amplificador classe D amplifica pulsos. Ela exige uma entrada pulsada.

Existem muitos circuitos que podem converter uma onda senoidal a um pulso, bem como os circuitos que convertem um pulso para uma onda senoidal. Este circuito possui aplicações em circuitos digitais.

Amplificador Classe D