Amplificadores de Potência Classe A

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1 Universidade do Estado de Santa Catarina CCT Centro de Ciências Tecnológicas Amplificadores de Potência Classe A Professor: Disciplina: Celso José Faria de Araújo Eletrônica Analógica I Joinville SC

2 Introdução Uma função importante do estágio de saída é dar ao amplificador uma baixa resistência para que possa entregar o sinal à carga o maior ganho possível. Como o estágio de saída é a etapa final do amplificador e costuma ter sinais relativamente grandes, os modelos e aproximações para pequenos sinais devem ser usados com muito cuidado. A linearidade continua sendo uma exigência muito importante. Nesses casos, uma medida da qualidade do projeto do estágio de saída a distorção harmônica total. É o valor eficaz dos componentes harmônicos excluindo a fundamental. Uma exigência no projeto do estágio de saída é que entregue à carga a quantidade de potência de uma forma eficiente. Isto quer dizer que a potência dissipada nos transistores no estágio de saída deve ser a mais baixa possível, esta exigência se origina principalmente no fato de que a potência dissipada no transistor eleva a temperatura na união interna e há uma máxima (entre 150 ºC e 200 ºC), acima disso o transistor se destrói. Outra razão de para que seja necessária uma elevada eficiência é o prolongamento na duração das baterias empregadas em circuitos alimentados com bateria, para permitir uma fonte de alimentação menor ou para que não seja necessária a utilização de ventiladores de esfriamento. Um amplificador de potência é simplesmente um amplificador com um estágio de saída de alta potência. 1. Classificação de estágios de saída São classificados de acordo com a forma de onda da corrente do coletor. a. Estágio Classe A: É polarizado com uma corrente maior do que a amplitude de corrente do sinal. Então o transistor conduz durante o ciclo completo do sinal de entrada, ou seja, o ângulo de condução é 360⁰. Figura 1. Comportamento da corrente Ic para estágio classe A b. Estágio Classe B: É polarizado com corrente zero de DC, assim o transistor só conduz metade do ciclo da onda senoidal de entrada. O ângulo de condução é de 180⁰.

3 Figura 2. Comportamento da corrente Ic para estágio classe B c. Estágio Classe AB: Implica a polarização do transistor a uma corrente DC distinta de zero, muito menor que a corrente de pico do sinal da onda senoidal. Como resultado o transistor conduz num intervalo um pouco maior de meio ciclo. O ângulo de condução maior que 180⁰, mas muito menor que 360⁰. Figura 3. Comportamento da corrente Ic para estágio classe AB Estes amplificadores são utilizados como estágios de saída de amp ops e amplificadores de potência de áudio. 2. ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Em virtude da baixa resistência de saída, o seguidor de emissor é o estágio de saída classe A mais popular. Consideraremos sua operação com grandes sinais.

4 a) Característica de transferência: Figura 4. Circuito seguidor de emissor classe A Seguidor de emissor Q1 polarizado com uma corrente I constante, fornecida pelo transistor Q2: =+ A corrente I deve ser maior que a corrente negativa mais alta da carga, para que Q1 não entre em corte. Transferência do seguidor de emissor: = Mas depende de e Desprezaremos neste caso a pequena variação de para a variação da corrente do emissor:

5 Figura 5. Característica de transferência O limite positivo da região linear é delimitado pela saturação de Q1: Já o limite negativo da região linear é delimitado pelo corte de Q1: Ou pela Saturação de Q2: A tensão de saída mais baixa é obtida quando a corrente I for maior que a amplitude de corrente da carga correspondente:

6 Resumo: Exercício: Para o seguidor da figura 4, suponha Vcc=15V, Vce=0,2V, Vbe=0,7V e β muito alto. Calcule o valor de R que estabelecerá uma corrente de polarização suficientemente alta para permitir a excursão, a maior possível, do sinal de saída para RL= 1kΩ. Determine a excursão do sinal de saída resultante e as correntes máxima e mínima do emissor. - Cálculo de R: Primeiro determinaremos a tensão mínima para vo em que o transistor Q2 entra em saturação. = +2 = 15+0,2= 14,8 Para obtermos a máxima excursão possível de sinal precisamos produzir uma corrente de polarização I constante que coloque a região de corte de Q1 na mesma da saturação de Q2 Logo: = 14,8= 1 =14,8 Sabemos também que β é muito grande, logo vamos considerar que ib 0mA. Também vamos considerar que Q3 é um espelho de corrente e que por ele passa a corrente I. Tendo a corrente I só precisamos do valor da tensão na base de Q2 para determinarmos a resistência. Logo: = += = 14,3 - Excursão de sinal: = = 14,3 14,8 =966,2Ω O valor da tensão mínima já calculamos:

7 e vomín= 14,8V = 1=15 0,2=14,8 - Corrente do emissor máxima e mínima: Para v o mín: Para v o máx: =+=14,8 14,8=0,0 =+=14,8+14,8=29,6 3. Formas de onda do sinal Analisando as formas de onda da tensão e da corrente para os transistores Q1 e Q2 na figura 4: Se olharmos a curva de entrada pela saída ( ), veremos que o sinal de saída poderá excursionar desde até, como está mostrado na figura 7-a, desde que se escolha o ponto de polarização adequada. Se esta condição é satisfeita a tensão do transistor Q1 será =. Assumindo ainda que a corrente que passa pelo transistor Q2 é tal que temos uma corrente na carga no seu máximo negativo (o que também faz parte da melhor excursão de sinal), teremos então que a corrente terá a mesma forma de onda da saída mas acrescido de um valor, como pode ser visto na figura 7-c abaixo: 4. Dissipação de Potência Figura 6 Formas de onda no transístor de potência Q1 Conseguimos aqui garantir então que o transístor 1 esteja sempre na região ativa de operação. Como temos o sinal de, que é a tensão aplicada no transístor ao longo do tempo, e da corrente, que é a corrente que circula pelo transístor, podemos dizer que a potência dissipada no

8 transístor será um produto das mesmas, ou seja: =. Então, basta multiplicarmos ponto a ponto os gráficos de tensão e corrente, e teremos o gráfico de potência, mostrado na figura 7-d. Através dele, é nítido que o maior valor de potência instantânea dissipado pelo transístor é =. Fazendo a mesma análise para 2, sabemos que sua corrente será constante e de valor. Como a tensão = +, teremos então =, com máximo instantâneo de tensão em = 2. Então, em módulo, a potência máxima dissipada por 2 será = 2. Temos ainda uma potência instantânea na carga igual a = ² (). Exemplo: Considerando o circuito seguidor de emissor mostrado na figura 4 com = 10, = 100, e = 100Ω, e que a excursão de sinal é maior possível, encontre a potência dissipada em 1 2 sobre condições de polarização quiescentes ( =0). Para uma saída de tensão senoidal, encontre a potência média dissipada em 1 2. Encontre também a potência na carga. Solução: No ponto de polarização DC, teremos =+ e = para o transistor Q1 e = e = + para o transístor Q2. Mas como nossa tensão de entrada =0 temos =0. Vamos considerar daqui em diante que =, e como temos a saída em 0 V, então == e = =. Como = e =, finalmente temos as tensões no ponto quiescente de polarização: = ==. Em AC, Considerando uma entrada senoidal, teremos na saída ()= (). Novamente vamos considerar que a corrente de coletor é a mesma corrente que flui no emissor. Analisando o transistor Q1, temos que ()= () e ()=+ (). Lembrando que = (pico). Então, multiplicando as duas expressões (ou seus respectivos gráficos), achamos uma expressão para a potência, onde ()=(1 ()). Fazendo uma integração num período e dividindo pelo mesmo, podemos achar a componente média da potência: = () = 1 () =1. Então, no transistor Q1, a potência média dissipada é = =.. Para o transístor Q2, sabendo que ()= ()+ e ()=, podemos simplesmente multiplicar o gráfico de () por, e facilmente veremos que em =( ()+ ), teremos uma média de potência == (o resultado pode ser obtido analiticamente, utilizando-se os mesmos passos acima). Por último, nos resta analisar a potência entre a carga. Mas ()= () potência média, teremos =. Mas = então =. 5. Rendimento da conversão de potência = (()). Tirando a Considerando a eficiência (rendimento) de um estágio de saída classe A, podemos fazê-lo como:

9 = (ê) (ê) Logo, a eficiência de um estágio de saída de um amplificador Classe A será a razão entre a potência dissipada na carga e a potência fornecida pela fonte. Se fizermos a potência do circuito Classe A estudado até agora, seguidor de emissor, demonstrado na figura 4: Sendo a tensão de alimentação da saída,, uma senóide com amplitude ^, a potência média do estágio de saída em será: = 1 2.^ Da mesma forma, olhando para o circuito, percebemos que possuímos dois estágios de entrada, um em e outro em. Para tal, como estamos considerando um valor médio, conforme colocado no item anterior, podemos considerar uma corrente I, que polarizará os transistores corretamente, e que fará com que a tensão de saída possua o comportamento da Figura 67 - a. Se fizermos a equação da malha no transistor 1: + + =0 E teremos a máxima potência quando =, sendo assim: =2 Podemos então considerar a potência média do transistor 1, fazendo: =. E ocorrerá o mesmo para o transistor 2, no entanto a potência máxima ocorrerá quando =, mas consideramos que a tensão de saída varia de até +, e já colocamos aqui a resposta da potência média: =. A potência média total do estágio de entrada será então: Combinando as duas equações: = = = + =2.. ^ =1 4. ^. ^. Sendo esse o rendimento. Conseguimos, logo, que o máximo rendimento será quando: ^= =.

10 E nessa situação teremos que =25%, um rendimento baixo. Por causa disso, dificilmente o estágio de saída Classe A é utilizado em situações com altas potências (acima de 1W). Outro ponto a ser considerado que é deve-se cuidar com a tensão de saída e demais detalhes da polarização para que os transistores não saiam da região de amplificação. Exemplo: Seja o seguidor de emissor da figura 4, e sendo V CC =10V, I=100mA, R L =100 Ω. Se a tensão de saída é senoidal e possui pico de 8V, encontre: a) A potência fornecida à carga, b) a potência média da fonte, c) a eficiência de conversão de potência. Ignore as perdas em R e Q 3. Solução: a) Para determinar a potência fornecida à carga, devemos fazer uso da equação abaixo, considerando que o pico de tensão da saída é 8V e que a resistência de carga é de 100 Ω. = 1 2.^ = =, b) Para determinar a potência média da fonte, utilizamos: = = c) Ignorando as perdas em R e Q 3, pois normalmente em circuitos Classe A consideramos o 1, e as correntes de base dos dois transistores são muito pequenas, teremos: = (ê) (ê) =0,32 2 =% E pelas razões de polarização, como comentado no item acima, teremos que normalmente o rendimento (eficiência) de estágios de saída Classe A serão entre 10% e 20%, o que significa um rendimento baixo.