Amplificadores de potência classe B

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1 Amplificadores de potência classe B Introdução O amplificador de potência classe A, apresenta a melhor linearidade, mas tem o pior rendimento. Isso se deve ao fato de que o transistor de saída esta sempre em condução, pois exige uma corrente de polarização constante. A operação classe B Na operação classe B o ponto quiescente é colocado na região de corte do componente amplificador. Nessa condição, um semiciclo do sinal é completamente removido da saída. Quando a transistor estiver operando em corte a corrente será nula, portanto dissipará menos potência e sua eficiência será maior que a operação classe A. Entretanto, a remoção de um semiciclo na saída representa uma severa distorção que precisa ser compensada. O arranjo push-pull No arranjo push-pull, cada dispositivo amplifica metade do ciclo de entrada, entregando um ciclo total a carga. Veja ilustração: Distorção por crossover Na prática o ponto quiescente dos transistores não estará no ponto de corte. Isso devido a queda de tensão de 0,7V o que causa uma distorção na passagem de um transistor para outro. Essa distorção é chamada de crossover. O amplificador classe B Amplificador de potência classe B Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 10Set2005 1

2 O circuito ao lado é um típico push-pull polarizado com dois diodos, que devem ser compatíveis com as curvas de base dos transistores e instalados próximos aos dissipadores de calor. Os transistores devem ser complementares, isto é, curvas de base e especificações máximas semelhantes. O espelho de corrente O conceito de espelho de corrente consiste em resistor limitador de corrente e um diodo paralelo com o diodo emissor do transistor. Como a corrente de base é muito pequena a corrente do resistor e o diodo polarizador são praticamente iguais. Se as curvas do diodo forem iguais às curvas de VBE a corrente do diodo será igual a corrente do coletor. A grande dificuldade em projetar um circuito push-pull é casar as características do diodo polarizador com a característica de base - emissor do transistor. A deriva térmico A ausência de resistores de polarização de emissor e de coletor no transistor representa um perigo que chamamos de deriva térmico, isso porque é praticamente um curto circuito, o que faz com que a corrente de saturação seja teoricamente infinita. Se as características de base emissor do transistor não forem idênticas as do diodo polarizador o transistor será, sem sombra de dúvidas, destruído. Uma técnica comum para limitar a corrente DC do emissor é conectar dois resistores iguais de potência, de baixo valor em série com o emissor do transistores. Os resistores deverão ser dimensionados de acordo com a capacidade de corrente da fonte. Projetando um amplificador classe B O projetista deverá escolher os resistores para colocar o ponto quiescente na região de corte, ou seja onde IC é teoricamente zero. Na prática o ponto Q deve ser colocado um pouco acima da região de corte, isso porque, eles somente conduzem após romper a barreira imposta por VBE. A corrente quiescente do coletor pode ser determinada pela seguinte equação: Amplificador de potência classe B Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 10Set2005 2

3 Para nosso projeto vamos fixar a corrente de polarização em 10 ma. Nossa fonte experimental será de 15 V. 10 ma = ( 15V 2.0,7V ) ( RB1 + RB2 ) 10mA = ( 15V 1.4V ) ( RB1 + RB2 ) RB1 + RB2 = 13,6V 10mA RB1 + RB2 = 1360Ω Devido a simetria exigida pelo circuito, teremos 680 Ω em cada um dos resistores. A reta de carga AC /DC e o ponto quiescente Encontrando ICq Como o transistor está operando na região de corte, idealmente teremos : ICq = 0 Encontrando VCEq A tensão da fonte será dividida igualmente sobre os dois transistores, assim : VCEq = VCC 2 VCEq = 15 V 2 VCEq = 7,5 V Encontrando Icsat DC Como não há resistores de emissor e coletor, a resistência entre a fonte DC e a referência (terra) tende a zero então, teremos, teoricamente uma corrente infinita, pois: Icsat DC = VCC R, como : R 0 Icsat DC = Encontrando VCE corte DC Como o ponto quiescente esta na região de corte então: Amplificador de potência classe B Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 10Set2005 3

4 VCE corte DC = VCEq = VCC 2 VCE corte DC = VCC 2 VCE corte DC = 15 V 2 VCE corte DC = 7,5 V Encontrando Icsat AC A linha de carda Ac do seguidor de emissor é dada por: Icsat AC = VCC 2.RL Icsat AC = Icsat AC = 0,9375 A Encontrando VCE corte AC VCE corte AC = VCC 2 VCE corte AC = 15 V 2 VCE corte AC = 7,5 V Traçando a reta de carga AC/DC Encontrando a tensão de pico a pico da saída A compliance PP ou tensão de pico a pico da saída será de aproximadamente o valor da fonte. Isso porque cada transistor conduzirá metade do sinal sendo um semiciclo positivo e outro idêntico porém negativo. VPP = VCC VPP = 15 V Encontrando a potência máxima de saída Agora que temos o valor de pico a pico máximo, podemos calcular a potência máxima. PL máxima = VPP² 8.RL ( veja dedução no amplificador classe A ) PL máxima = 15V² 8.8Ω PL máxima = 15V² 8.8Ω PL máxima = 3,52 W Encontrando a potência fornecida pela fonte PL fornecida = VCC. 0,318. Icsat PL fornecida = 15V. 0,318. 0,9375 A PL fornecida = 4,47W O rendimento do amplificador classe B Uma vez que temos a potência de entrada e a potência de saída podemos calcular o rendimento. Amplificador de potência classe B Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 10Set2005 4

5 η = ( PS PE ) η = ( 3,52 W 4,47W ). 100 η = 78,74 % Encontrando a potência máxima dissipada no transistor Devemos ficar atentos a potencia dissipada nos transistores que deverão ser instalados em dissipadores de calor. PL dissipada = VPP² 40.RL PL dissipada = 15² 40.8Ω PL dissipada = 703 mw Nota : A potência especificada para o transistor deve ser maior que VPP² 40.RL O ganho do amplificador classe B No amplificador classe B o ganho é teoricamente 1, e o ganho de tensão com carga pode ser calculado por : A = RL RL + r e Onde : r e = 25,7mV Icq r e = 25,7mV 10mA r e = 2,57Ω assim, o ganho será : A = RL RL + r e A = 8Ω 8Ω + 2,57Ω A = 0,756 Simulação usando o Electronics workbench Amplificador de potência classe B Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 10Set2005 5

6 O sinal de saída Nos momentos de crise, só a inspiração é mais importante que o conhecimento. (Albert Einstein) Referências Bibliográficas Malvino, A.P. Eletrônica - volume I. São Paulo: McGraw Hill, Boylestad, R. e Nashelsky, L. Dispositivos Eletrônicos e Teoria dos Circuitos. Rio de Janeiro: Prentice-Hall, Marcus, O. Circuitos com diodos e Transistores. São Paulo: Érica, 2000 Lalond, D.E. e Ross, J.A. Princípios de dispositivos e circuitos eletrônicos. São Paulo: Makron Books, Amplificador de potência classe B Autor: Clodoaldo Silva - Versão : 10Set2005 6