Curso Técnico em Eletroeletrônica Eletrônica Analógica II

Transcrição

1 Curso Técnico em Eletroeletrônica Eletrônica Analógica II Aula 08 Classes de amplificadores Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino 2016

2 CIRCUITO AMPLIFICADOR 1 I B I C 169,80µA 27,49mA V CE 0,16V

3 CIRCUITO AMPLIFICADOR 2 I B I C 63,67µA 17,19mA V CE 4,47V

4 CIRCUITO AMPLIFICADOR 3 I B I C 40,45µA 11,75mA V CE 6,95V

5 CIRCUITO AMPLIFICADOR 4 I B I C 5,58µA 1,83mA V CE 11,20V

6 BC547B

7 TIPOS DE AMPLIFICADORES: Quanto à FREQUÊNCIA dos sinais Amplificadores de baixa frequência Operam com frequências de 0,1Hz a 30KHz (abaixo da faixa de áudio até VLF) Amplificadores de média frequência Operam com frequências na faixa de LF Amplificadores de alta frequência Operam com frequências acima de LF (sendo classificados conforme a faixa de operação: VHF, UHF, micro-ondas, etc) FAIXA DE FREQUÊNCIA: - Áudio: entre 20Hz e 20KHz - Ultra-som: entre 20KHz e 3MHz - Microondas: entre 3GHz e 300GHz

8 TIPOS DE AMPLIFICADORES: quanto à AMPLITUDE dos sinais Amplificadores de pequeno sinal ou baixa potência Sinais de entrada são da ordem de unidades de µv a dezenas de mv, ou correntes de coletor da ordem de unidades a centenas de ma, ou potências de coletor de centenas de mw. Objetivo: alcançar ganho elevado com níveis adequados de impedâncias de entrada e de saída Amplificadores de média potência Sinais de entrada são da ordem de centenas de mv, ou correntes de coletor da ordem de centenas de ma a unidades de Ampère, ou potências de coletor da ordem de centenas de mw a unidades de Watt. Amplificadores de potência Sinais de entrada são da ordem de centenas de mv, ou correntes de coletor da ordem de unidades a dezenas de Ampère, ou potências de coletor da ordem de unidades a centenas de Watt. Exemplo: Telefone celular deve alimentar a antena com 1W de potência Objetivo: fornecer alta potência à carga Sistemas de som estéreos que fornecem dezenas ou centenas de watts de potência de áudio aos alto-falantes

9 Parâmetros importantes dos Amplificadores de Pequenos sinais: Linearidade na amplificação magnitude do ganho Potência: Capacidade de fornecimento de potência Eficiência ou Rendimento Casamento de impedância Distorção (não linearidade que resulta da operação em grandes sinais) Um amplificador de áudio de alta qualidade deve sofrer distorção muito baixa para que possa reproduzir música com alta fidelidade

10 AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA Fornecem altos níveis de potência e grandes excursões de sinal à cargas de impedância relativamente baixas Fornecem potencia suficiente para uma carga de saída para acionar um dispositivo de potência (na faixa de alguns watts a dezenas de watts) Podem operar em diferentes classes, dependendo da fração do ciclo de entrada durante a qual o transistor conduz. Transistores de alta potência devem tolerar altas correntes e temperatura elevada

11 POTÊNCIA Potência de entrada: é fornecida pela fonte de alimentação CC. Potência de saída: é aquela entrega para a carga. Potência dissipada pelos dispositivos ativos: é basicamente a diferença entre as potências de entrada e saída

12 POTÊNCIA Para CC: P = V. I = I 2 R = V2 R Para CA: (valor varia em função do tempo) P(t) = V(t). I(t) P med = V rms I rms = I2 rms R = V 2 rms P med = V 2 rms R I rms = I P 2 V rms = V P 2 = V 2 p p 8R V P : tensão de pico I: corrente de pico = V 2 p 2R R Fp = cos θ Fp=1 : resistiva Fp<1 : capacitiva corrente adiantada Potência aparente (VA ou RVA) S = V ef I ef Potência reativa (VAr) Q = V ef I ef sin θ Potência ativa (W) Q = V ef I ef cos θ Triângulo de potência Fp<1 : indutiva corrente atrasada

13 EFICIÊNCIA ou RENDIMENTO A eficiência de um amplificador representa a quantidade de potência CA entregue (transferida) a partir da fonte CC. % η = P o(ca) P i (CC) 100% P i CC = potência fornecida pela fonte de alimentação ao amplificador P o CA = potência entregue pelo amplificador à carga A potência drenada da fonte é P in = V CC I CC I CC : corrente média drenada da fonte A eficiência melhora (aumenta) partindo da classe A até a classe D.

14 CLASSES DE OPERAÇÃO As classes dos amplificadores indicam quanto o sinal de saída varia em um ciclo de operação para um ciclo completo do sinal de entrada. Modo como os transistores do estágio de saída operam na tentativa de se obter maior linearidade (menor distorção) e/ou melhor rendimento Classe A: o estágio de saída conduz por 360 o completos (um ciclo completo da forma de onda). Polarizado no meio da reta de carga Eficiência máxima de 25% (sem transformador) e de 50% (com transformador) Classe B: os estágios de saída conduzem por 180 o cada (juntos, oferecem um ciclo completo) Polarizado no corte Eficiência máxima de 78,5% Classe AB Os estágios de saída conduzem entre 180 o e 360 o cada (oferecem um ciclo completo com menor eficiência) Polarizado um pouco acima do corte

15 CLASSES DE OPERAÇÃO Classe C O estágio de saída conduz por menos de 180 o Gera distorção pior que um classe B geralmente é utilizado em circuitos sintonizados e rádio frequência (celulares, transmissores de rádio e TV) Classe D Opera utilizando sinais digitais ou pulsados Seu funcionamento se deve a um circuito de chaveamento digital com frequência de 100Hz a 200KHz que transforma o sinal de entrada em uma onda quadrada de largura variável (PWM). Operam modulando o sinal de entrada na forma de pulsos (PWM), controlando o dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor) através de dois níveis de tensão, os quais fazem com que o dispositivo conduza ou entre em corte. Possui rendimento perto de 90% e está limitado a trabalhar abaixo de 1kHz, por que acima disso existe a geração de distorção e pode ocorrer do amplificador interferir em rádios AM. Com isso seu uso fica restrito a alimentar subwoofers com potência acima de 1000W RMS Classe F Alta eficiência (idealmente 100%) e alta potência de saída. Usado principalmente para aplicações de RF e micro-ondas.

16 CLASSE A o estágio de saída conduz por um ciclo completo da forma de onda (360o) do sinal de entrada Baixa eficiência máxima varia de 25% a 50% dependendo do tipo de circuito. Linearidade maior que a de outras classes O ponto quiescente está disposto próximo à metade da reta de carga Em amplificadores de áudio: melhor qualidade de som sem distorção mas com um consumo de potência muito grande Gasta muita energia e seu preço é muito alto Eficiência: com polarização CC na metade do valor da tensão de alimentação, utiliza muita potência para manter a polarização, mesmo sem nenhum sinal de entrada aplicado. Resultado: baixa eficiência, principalmente com sinais pequenos na entrada, quando muito pouca potência CA é liberada para a carga.

17 CLASSE A É necessário que o ponto Q seja polarizado em um valor que permita que pelo menos metade do sinal de saída varie para cima e para baixo sem atingir uma tensão suficientemente alta para ser limitada pelo valor da tensão de alimentação ou desça a um ponto suficientemente baixo para atingir o valor inferior da fonte.

18 CLASSE A: Configurações Diferença entre pequenos sinais: Os sinais tratados pelo circuito para grandes sinais estão na faixa de volts, o transistor utilizado é um transistor de potência que pode operar em uma faixa de poucos watts até algumas dezenas de watts Seguidor de emissor: o transistor conduz corrente durante todo o ciclo A tensão de saída é retirada do terminal emissor Conexão de carga direta ou realimentada em série Eficiência máxima de 25% Conexão com transformador para a carga Eficiência máxima de 50%

19 CLASSE B Fornece um sinal de saída que varia durante metade do ciclo da entrada (para 180 o do sinal) Alta eficiência Eficiência máxima de 78,5% Grande distorção Gera um sinal de saída muito distorcido, pois o sinal de entrada é reproduzido na saída somente para 180 o da oscilação do sinal de saída. Em amplificadores de áudio: Sua amplificação gera grande distorção audível para pequenos sinais, mas para sinais de grande amplitude essa distorção é muito pequena quando comparada com a amplitude do sinal tornando a distorção menos perceptível. Não existem amplificadores desse tipo no mercado

20 CLASSE B

21 CLASSE B: PUSH-PULL Push-pull: cada transistor permanece ligado durante cerca de metade do ciclo e a eficiência é alta Operação push-pull: são necessárias duas operações classe B: uma para fornecer saída durante o semiciclo positivo e outra para operar no semiciclo negativo de saída. A combinação dos semiciclos fornece, então, uma saída para os 360 o completos de operação.

22 PUSH-PULL Seguidores de emissor npn e pnp O estágio push-pull simples funciona como um seguidor de emissor pnp ou npn para entradas suficientemente negativas ou positivas, respectivamente, e permanece desligado para -600mV < V in <+600mV A zona morta resultante distorce o sinal de entrada de forma significativa.

23 DISTORÇÃO POR CRUZAMENTO (CROSSOVER) Se os transistores Q 1 e Q 2 não ligam e desligam exatamente ao mesmo tempo, há uma lacuna na tensão de saída. Zona morta

24 CLASSE AB Cada transistor permanece ligado durante mais de metade de um ciclo Equilíbrio entre linearidade e eficiência Estágio push-pull modificado Em amplificadores de áudio: A maioria dos amplificadores comercializados são de classe AB, pois possui boa qualidade e bom rendimento utilizando componentes baratos, portanto, ótima relação custo benefício.

25 PUSH-PULL APRIMORADO

26 BIBLIOGRAFIA BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 1. São Paulo: Mcgraw Hill, MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.