Electrónica II Amplificadores de Potência

Transcrição

1 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%. Morgado Dias Electrónica II 9/006 1

2 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 00º 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. Morgado Dias Electrónica II 9/006

3 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) Morgado Dias Electrónica II 9/006 3

4 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 é necessário um circuito adicional para recuperar o sinal pretendido. Morgado Dias Electrónica II 9/006 4

5 Amplificador de classe A O seguidor de emissor polarizado por Q tem: I E1 I+i. A corrente de polarização I tem que ser maior do que a maior corrente negativa para a carga ou Q 1 entra ao corte. A equação de saída é: V o v i -v BE1 Morgado Dias Electrónica II 9/006 5

6 Amplificador de classe A A figura mostra a característica de transferência do circuito. O limite inferior é dado pela entrada de Q 1 ao corte ou pelo limite da polarização. O valor de I -V CC +V CEsat /R garante que a excursão do sinal não fica limitada pela corrente de polarização. Característica de transferência do circuito Morgado Dias Electrónica II 9/006 6

7 Amplificador de classe A Desprezando os valores V CEsat, se I estiver correctamente escolhido a saída pode variar entre ±V CC (a). Se I for escolhida para permitir a corrente máxima negativa de VCC/R obtém-se (c). Em (d) está representada a potência instantânea que é dada por p D1 v CE1 i C1 Morgado Dias Electrónica II 9/006 7

8 Eficiência do amplificador de classe A A eficiência de um andar de saída é dada por: η orms s ara o circuito, com uma entrada com forma de onda sinusoidal, orms (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: ogo o rendimento é dado por: O rendimento máximo é obtido quando VpV CC IR. Nessa situação o rendimento é de 5%. Dado que este valor é baixo (para evitar distorção) esta classe não é muito utilizada em aplicações de potência orms ( Vp / R η ) s V Vp R CC Vp 4IR I V CC Morgado Dias Electrónica II 9/006 8

9 Eficiência do amplificador de classe A Considerando o circuito da figura a funcionar em classe A pode analisar-se a relação de potência: s D + orms + DC onde s é a potência fornecida pela fonte de alimentação do circuito, D é a potência dissipada no transístor, orms é a potência eficaz fornecida pelo amplificador à carga e DC é a potência DC dissipada nas resistências. a potência dissipada é: DC D I C R s VCC ( R orms ). R DC V CC 4R Vcc R v o o seu valor máximo será obtido quando orms for nula. v i Dmáx s DC V CC R CC V 4R V CC 4R Morgado Dias Electrónica II 9/006 9

10 Amplificador de classe B Com v i 0 nenhum dos transístores conduz e v o é nulo (a tensão de polarização V BE é nula). Se v i excede 0.5V Q N conduz e fornece corrente à carga, enquanto Q está ao corte. Se v i baixa de -0.5V Q conduz e Q N está ao corte. Em ambos os casos o circuito funciona como um seguidor de emissor. v o v i -v BE O circuito funciona como um push-pull: Q N fornece corrente à carga e Q recebe corrente da carga. Os transístores NN e N são complementares (parâmetros semelhantes). Morgado Dias Electrónica II 9/006 10

11 Amplificador de classe B A figura mostra a característica de transferência do circuito. Existe uma gama de valores de v i 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. Morgado Dias Electrónica II 9/006 11

12 Amplificador de classe B Influência da situação de não condução de ambos os transístores na saída do amplificador. Distorção de crossover. Morgado Dias Electrónica II 9/006 1

13 Eficiência do amplificador de classe B Ignorando o efeito da distorção de crossover, a potência eficaz entregue à carga é: A potência fornecida ao circuito por cada uma das fontes de tensão é dada por: onde I m é a corrente média do circuito. Como neste circuito quando não há condução dos transístores não há consumo, 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. s orms V π 1 1 π I m I psenα. dα I m I p [ cosα ] 0 π 0 π ( Vp / R Morgado Dias Electrónica II 9/ CC I I p π m ) Vp R

14 Eficiência do amplificador de classe B Onde I p V p /R. ortanto para as duas fontes obtém-se: sendo o valor máximo fornecido pelas fontes obtido quando V p V CC de: e a eficiência do circuito em classe B é dada por: A eficiência máxima, obtida quando V p V CC, é de: s orms η η máx V π R smáx s π p V V CC CC R πvp 4V CC π 4 78,5% Morgado Dias Electrónica II 9/006 14

15 Dissipação de potência no amplificador de classe B V S D + orms ou D S - orms ou seja: D π R Cada transístor dissipa metade da potência. ara que o circuito funcione em segurança é necessário calcular a potência máxima a que cada um pode estar sujeito. O máximo da expressão de D pode ser calculado através do ponto onde a derivada se anula: D V CC Vp V πr R Igualando a zero obtém-se: Vp R ortanto quando V p toma este valor os transístores estão a dissipar a máxima potência. V πr CC Vp V CC π p p V CC Vp R Morgado Dias Electrónica II 9/006 15

16 Dissipação de potência no amplificador de classe B Substituindo o valor anterior na expressão de D obtém-se o seu valor máximo: ou por transístor: V V CC CC Dmáx Dmáx R π R π Morgado Dias Electrónica II 9/006 16

17 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/A o, sendo A o o ganho DC do amplificador operacional. Morgado Dias Electrónica II 9/006 17

18 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 V CC. Morgado Dias Electrónica II 9/006 18

19 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 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. Morgado Dias Electrónica II 9/006

20 Amplificador de classe AB A figura mostra a característica de transferência do circuito. A distorção de crossover foi eliminada. Morgado Dias Electrónica II 9/006 0

21 olarização 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. Se os díodos estiverem em contacto térmico com os transístores pode-se obter uma compensação de temperatura entre as tensões de polarização e os V BE s dos transístores. Morgado Dias Electrónica II 9/006 1

22 olarização do amplificador de classe AB Um aumento de temperatura dá origem a um decréscimo V BE de cerca de mv/ºc se a corrente de colector for mantida constante. Se V BE 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. Morgado Dias Electrónica II 9/006

23 olarização do amplificador de classe AB Multiplicador de V BE Uma forma alternativa de polarização está representada na figura. Desprezando a corrente de base de Q 1, a corrente em R 1 e R é a mesma: V I BE R então V BB é: R1 R VBB I R ( R1 + R ) VBE 1(1 + R ou seja V BE é multiplicado por um factor que pode ser escolhido para polarizar o circuito como for pretendido. 1 ) 1 Morgado Dias Electrónica II 9/006 3

24 olarização do amplificador de classe AB Multiplicador de V BE Outra forma de polarização passa por colocar um potenciómetro para estabelecer a corrente de colector pretendida. Esta solução também pode ser utilizada para obter estabilização térmica, em especial se R 1 R e Q 1 estiver em contacto térmico com os outros transístores. Morgado Dias Electrónica II 9/006 4

25 Transístores de potência Os transístores de potência dissipam valores elevados de potência que é convertida em calor, fazendo subir a temperatura da junção. No entanto a junção não deverá exceder um valor máximo T Jmax, caso contrário o transístor poderá ficar danificado. ara dispositivos em silício T Jmax anda na gama de 150ºC a 00ºC. Um transístor em estado estacionário a dissipar D watts tem uma variação da temperatura em relação ao ambiente de: T T θ onde T J é a temperatura da junção, T A é a temperatura ambiente e θ JA é a resistência térmica entre a junção e o ambiente. J A JA D Morgado Dias Electrónica II 9/006 5

26 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 à resistência e a diferença de temperatura à diferença de potencial. Morgado Dias Electrónica II 9/006 6

27 Dissipação de potência em função da temperatura A especificação fornecida pelo fabricante para um transístor de potência inclui normalmente T Jmax à temperatura ambiente (tipicamente 5ºC) e a resistência térmica. A figura mostra o comportamento da potência dissipada máxima em função da temperatura ambiente. No caso de a temperatura de funcionamento ser superior a máxima potência dissipada deve ser calculada a partir da expressão: Dmáx T J max θ T JA A Morgado Dias Electrónica II 9/006 7

28 Encapsulamento do transístor e dissipação de calor A resistência térmica entre a junção e o ambiente pode ser expressa da seguinte forma: θ θ + θ onde θ JC é a resistência térmica entre a junção e o encapsulamento e θ CA é a resistência térmica entre o encapsulamento e ambiente. O fabricante pode reduzir θ JC colocando o transístor num encapsulamento metálico de grandes dimensões e colocando o colector em contacto com este. O projectista não tem controlo sobre θ JC mas pode ter sobre θ CA. 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. JA JC CA Morgado Dias Electrónica II 9/006 8

29 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: θ θ + θ onde θ CS é a resistência térmica entre o encapsulamento e o dissipador e θ SA é a resistência térmica entre o dissipador e o ambiente. θ CA pode ser tornado suficientemente baixo em função da escolha do dissipador. O equivalente eléctrico do processo de condução térmica está representado na figura. E é dado pela equação: CA CS SA T J T A D ( θ + θ + θ SA ) JC CS Morgado Dias Electrónica II 9/006 9

30 Encapsulamento do transístor e dissipação de calor O fabricante fornece habitualmente informação sobre a variação de Dmax em função de T C e o valor de θ JC. ara cada transístor a máxima dissipação de potência a T C0 é muito superior à obtida para T A0. Normalmente tem-se T C0 T C T Jmax e a dissipação de potência máxima é obtida para T J T Jmax. Dmáx T J max θ T JC C Morgado Dias Electrónica II 9/006 30

31 Variações da configuração de Classe AB Existem diversas variações na configuração da classe AB. A figura mostra a utilização de dispositivos compostos, neste caso pares Darlington. Neste caso existe uma queda de tensão adicional de V BE que tem de ser compensada pelo multiplicador de V BE. Morgado Dias Electrónica II 9/006 31

32 Variações da configuração de Classe AB rotecção de curto circuito. O circuito apresenta protecção de curto circuito para a situação em que o andar amplificador está a fornecer corrente. A resistência R E1 é escolhida de forma que, se a corrente de Q 1 for demasiado elevada, a queda de tensão V RE1 será suficiente para colocar Q 5 à condução. Nesta situação uma grande parte da corrente de base de Q 1 será desviada para o colector de Q 5, fazendo Q 1 regressar a uma corrente mais baixa. Morgado Dias Electrónica II 9/006 3

33 Variações da configuração de Classe AB rotecção térmica. O circuito apresenta protecção térmica de forma a ligar um determinado transístor no caso de a temperatura de referência ser excedida. O transístor Q está normalmente desligado. Quando a temperatura sobe, a combinação do coeficiente positivo de temperatura do díodo zener e o coeficiente negativo de temperatura de V BE1 faz subir a tensão no emissor de Q 1 e na base de Q. Se o circuito estiver bem configurado, nesta situação Q entra em funcionamento absorvendo através do seu colector a corrente de polarização do amplificador e desligando-o. Morgado Dias Electrónica II 9/006 33