1. AMPLIFICADORES EM CLASSE A

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1 1. AMPLIFICADORES EM CLASSE A 1.1 GENERALIDADES Ao utilizarmos amlificadores de otência, cuja finalidade seja excitar um transdutor qualquer que necessite de elevada otência ara seu accionamento, a escolha dos comonentes, dos métodos de cálculo, enfim, todas as considerações acerca do rojecto desse novo estágio serão bem diferentes das adotadas ara o rojecto de circuitos ré-amlificadores, que trabalham com sinais de baixo nível. Dessa forma, devemos levar em consideração qual a otência que deve ser obtida, qual será a excursão de corrente e a tensão do colector, e ambas aliadas a um mínimo de distorção exigido. Além dos asectos abordados, é imrescindível que se fale também a reseito da temeratura, sobre a qual devemos ter total controle. Para isso devemos, além de métodos conectivos e adequados de escolha de comonentes, lançar mão também do uso de dissiadores de calor, dos quais disomos inúmeros tios e formatos, visando atender a todas as reivindicações necessárias em termos de esaço, estabilização da temeratura, reço, entre outros. Segundo o que foi abordado, vamos encontrar circuitos que de uma forma mais ou menos comlexa vão satisfazer nossas necessidades em termos de otência, actuando com um grau maior ou menor de eficiência. Podemos dividir os amlificadores em quatro classes distintas: A, AB, B e C. 1.2 AMPLIFICAÇÃO EM CLASSE A No amlificador classe A, o sinal de saída deve ser uma cóia exacta do sinal alicado à sua entrada. Neste caso, o transístor deve conduzir durante todo o ciclo do sinal de entrada. Oerando em classe A, ode haver distorção do sinal de saída, mas isto ode ser evitado se o transístor oerar na sua região linear. Uma oeração em classe A acha-se delineada na figura 1. Figura 1 - Oeração em classe A Um amlificador é considerado a funcionar em classe A quando funciona, semre na região activa. Isto significa que a corrente de colector flui durante os 360 do ciclo em corrente alternada. Relembra-se o amlificador emissor comum reresentado novamente na figura 2 (a), em que na figura 2(b) aresentamos o circuito em corrente contínua, na figura 3 o circuito em corrente alternada e na figura 4 as rectas de carga D.C e C.A. Na figura 5 aresentamos somente a recta de carga C.A., visto que o estudo neste momento versa este tio de sinal. Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 139

2 Figura 2 - (a) Amlificador olarizado em emissor comum. (b) Equivalente do circuito ara análise DC Figura 3 - Circuito em corrente alternada Figura 4 - Recta de carga em corrente contínua e corrente alternada Como vimos anteriormente, r B e U th indicados na figura 3 reresentam o equivalente de thévenin visto da base, ara a esquerda, em que r B é dada ela exressão indicada a seguir e a tensão de thévenin será um divisor de tensão entre o aralelo de R 1 e R 2 com a resistência da fonte, relativamente à fonte de sinal. U th reresenta o sinal que chega à base do transístor. A resistência em corrente alternada, do colector é o aralelo de R c com R L cuja exressão também se indica a seguir. Figura 5 - Amlitude máxima do sinal de saída Página 140 Caítulo 2 Amlificadores de otência

3 1.3 CORRENTE TOTAL DE COLECTOR A extremidade suerior da recta de carga c.a. da figura 10.5 calcula-se considerando U ce = 0, obtendo-se a seguinte exressão, já dada anteriormente. Esta será a corrente de saturação, se desrezarmos a equena diferença de otencial U ce quando o transístor se encontra na saturação. A extremidade inferior da mesma recta de carga é dada or: 1.4 AMPLITUDE DO SINAL NA SAÍDA A amlitude máxima de um sinal, ico a ico, que se ode alicar a este amlificador, sem distorção, está reresentado na figura 5. Como se verifica, o semiciclo ositivo deverá ter um valor máximo que vai desde o onto Q até à tensão de corte. O semiciclo negativo deverá ter um valor máximo desde zero, considerando que a tensão de saturação é idealmente zero, até ao onto Q. Verifica-se também na mesma figura que se o onto Q estiver deslocado ara uma das extremidades da recta de carga, um dos icos do sinal é cortado, elo que só arte da recta de carga é aroveitada. Em seguida, mostram-se algumas exressões que justificam a descrição feita, assim como as limitações e cuidados a ter no dimensionamento deste tio de amlificadores. Como vimos anteriormente, a tensão c.a. de corte é dada or: Analisando a figura 5, verifica-se que o valor do semiciclo ositivo máximo é dado or: Ficando então: r c.i cq Podemos então resumir as amlitudes máximas da seguinte forma: SEMICICLO POSITIVO MÁXIMO r c.i cq SEMICICLO NEGATIVO MÁXIMO U CEQ A amlitude ico a ico máxima do sinal, que ode ser amlificado (valores aroximados) será: Devemos escolher o menor dos valores ara que não haja corte de um dos icos, o que acontece quando a variação da tensão U ce ultraassa U ce,cone ou atinge a saturação. Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 141

4 1.5 POTÊNCIA NA CARGA A otência c.a. que se obtém na carga é or definição: em que: P L - Potência c.a. na carga. U L - Tensão eficaz na carga R L - Resistência de carga. Relembre-se as seguintes exressões: onde: U define a tensão ico a ico. Fazendo as várias substituições, obtemos: Esta é a exressão que nos dá a otência na carga, sendo muito útil elo facto de através da recta de carga obtermos o valor de ico a ico do sinal e ela exressão dada obtemos a otência do sinal de saída. A maior arte da otência dissiada elo transístor é em funcionamento D.C. A tensão e corrente contínuas de um amlificador foram definidas, resectivamente or: U CEQ e I CQ Então a otência dissiada elo transístor será dada or: Esta otência nunca deve exceder os valores indicados elo fabricante, tal como temos referido. 1.6 EFICIÊNCIA DE UM ANDAR AMPLIFICADOR Em qualquer máquina eléctrica, existe uma grandeza imortante, que é o seu rendimento. Num amlificador, essa grandeza não tem grande significado visto termos duas comonentes, uma D.C. e outra C.A. Então é usual definir outra grandeza designada or eficiência, que é a relação entre a otência obtida na carga (otência útil) e a otência D.C. total consumida elo amlificador, elo facto de a otência C.A. erdida, ser insignificante comarada com a otência D.C. A fonte de alimentação fornece uma corrente D.C. total que circula na resistência de colector (R c ) e na resistência de olarização R 1, quando temos olarização or divisor de tensão, com uma tensão de alimentação, U cc. Página 142 Caítulo 2 Amlificadores de otência

5 Então obtemos a seguinte exressão: Obtendo a seguinte exressão ara a eficiência: 1.7 GANHO DE POTÊNCIA Tal como definimos anteriormente, temos: i c Ganho de corrente A i = A i β i b u o Ganho de tensão A u = (deende do tio de amlificador) u O ganho de otência será também or definição, dado or: i A = o i em que: o - Potência de saída i Potência de entrada or outro lado sabemos que: e que: o i = u i = u i o b i c teremos então: A = o i A u = u i o i i b c A = A u A i sendo: A - Ganho em otência A u - Ganho em tensão A i - Ganho em corrente Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 143

6 Para os amlificadores, colector comum e base comum, o raciocínio é idêntico ao utilizado ara o emissor comum, elo que aresentamos de seguida, num quadro resumo, as últimas exressões deduzidas ara o amlificador E.C. e as corresondentes ara as outras montagens, C.C. e B.C. A montagem em emissor comum é das três montagens o que aresenta melhores características ara este tio de oeração. Figura 6 - Amlificadores em classe A Exercício de Alicação 1. O circuito da figura 7 mostra um amlificador classe A em que o transístor tem as seguintes esecificações: I CMÁX = 200 ma e uma tensão de rutura U CEO = 40V. DADOS: R S = 1 KΩ; R 1 = 10 KΩ; R 2 = 2,2 KΩ; R 3 = 3,6 KΩ; R E = 1 KΩ; r E = 120 Ω; R L = 1,5 KΩ; U CC = 12V Calcule: 1.1. O onto de funcionamento em reouso (P.F.R.) e a recta de carga c.c. Verificar se as esecificações são ultraassadas A recta de carga c.a. e reresentar as duas rectas de carga c.c. e c.a A amlitude ico a ico máxima na saída Os ganhos de tensão A u corrente A i e de otência A A otência máxima na carga; a otência total fornecida ela fonte e a eficiência do amlificador Figura 7 - Amlificadores E.C. em classe A em análise Página 144 Caítulo 2 Amlificadores de otência

7 2. AMPLIFICADORES EM CLASSE B 2.1 GENERALIDADES Os amlificadores em classe A, como udemos observar, aresentam factores que limitam o seu uso, como o baixo rendimento e o consumo de energia da fonte de alimentação mesmo na ausência de sinal de entrada. Para equiamentos alimentados or bateria, o ideal é que ela seja utilizada aenas quando existir um sinal alicado à entrada do circuito. Com os amlificadores oerando em classe B, é isto o que ocorrer. Em um amlificador em classe B, na ausência de sinal alicado à base, a corrente de colector será nula. Isto significa que o transístor oera no onto de corte. Para a oeração em classe B, temos que utilizar dois transístores, onde um deles amlifica a arte ositiva do sinal e o outro, a arte negativa. Na ausência de um dos dois, teremos na saída uma grande distorção. Figura 8 - Oeração em classe B 2.2 AMPLIFICAÇÃO EM CLASSE B - CIRCUITO PUSH-PULL Quando um transístor oera em classe B, corta um semiciclo, como se mostra na figura 9. Para evitar a distorção resultante, usamos dois transístores num arranjo ush-ull, ou também designado de funcionamento comlementar, visto só funcionar um em cada semiciclo da corrente alternada. Figura 9 - Gráfico da corrente e da tensão num amlificador de classe B Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 145

8 Com este tio de montagem, conseguem-se amlificadores que aresentam baixa distorção, grande otência de carga uma vez que cada transístor só funciona durante um semiciclo e alta eficiência. A figura 10 mostra uma montagem deste tio, que é formada or um seguidor de emissor NPN e um seguidor de emissor PNP. De referir o que foi dito anteriormente, que as correntes e tensões do transístor PNP são simétricas relativamente ao transístor NPN, sendo a sua análise em tudo idêntica, elo que só faremos equenas referências ao seu funcionamento. As resistências de olarização devem ser escolhidas ara situar o onto Q ao corte. Isto olariza o referido emissor de cada transístor entre os 0,6 e 0,7 V, qualquer que seja a tensão C.A. necessária, somente ara ligar ou desligar o díodo emissor (isto idealmente). Como as resistências de olarização são iguais, cada díodo emissor é olarizado com a mesma tensão, ficando cada transístor com uma tensão U CE dada or: U CEQ = U 2 CC Princíio de funcionamento Analisando o circuito reresentado na figura 10 verifica-se que estando o P.F.R. situado na extremidade da recta de carga (ao corte), na resença de sinal e considerando o semiciclo ositivo, o transístor T 1 fica olarizado e or isso em condução, continuando o transístor T 2 ao corte. Assim, circula corrente em T 1 e nas resistências de olarização, elo que o circuito resultante reresenta um seguidor de emissor. No semiciclo negativo T 1 continuará ao corte e T 2 em condução, que, embora sendo um transístor PNP o circuito c.a. ficará igual à arte suerior. Numa montagem ush-ull, quando um dos transístores estiver a conduzir significa que estamos na resença de sinal, e este ode ercorrer toda a recta de carga figura 9, uma vez que o P.F.R. se encontra na sua extremidade. No outro semiciclo será o outro transístor que se encontra em condução, significando então que a variação do sinal na saída de um circuito a funcionar em classe B será maior do que um sinal amlificado num circuito a funcionar em classe A. Assim, a saída será dada or: que será muito maior que em classe A Recta de carga em D.C. e A.C. Como não há resistências nos ramos do colector e como se ode ver na figura 11, a corrente D.C. de saturação é indeterminada, sendo a sua limitação imosta elas características dos transístores e elas resistências de olarização. Assim, a recta de carga D.C. será vertical, o que é traduzido ela não existência de quaisquer equações ossíveis que reresentem esta corrente. Para uma equena variação de U BE origina correntes de colector elevadas, elo que as características dos transístores (NPN e PNP) deverão ser tão róximas quanto ossível. Página 146 Caítulo 2 Amlificadores de otência

9 No semiciclo ositivo funciona a arte suerior do circuito indicada na figura 10 e no semiciclo negativo funciona a arte inferior do circuito indicada na mesma figura, uma vez que cada arte do circuito tem funcionamento comlementar. Assim, é suficiente fazer a análise aenas a uma arte do circuito. Para cada semiciclo ainda se alica a teoria do seguidor de emissor ara o cálculo da recta de carga C.A., elo que odem ser alicadas as mesmas exressões que se indicam a seguir: A resistência vista do emissor ara cada situação é dada or: r E = R L e I CQ = 0 logo, a corrente de saturação e a tensão de corte em corrente alternada são dadas or Figura 11 - Recta de carga D.C. e A.C Ganho de tensão com carga O ganho de tensão deste tio de circuitos será, como se disse, idêntico ao do seguidor de emissor ficando então: que é um divisor de tensão aos terminais de R L como se viu anteriormente Imedância de entrada e imedância de saída A imedância de entrada é vista da base a carga na saída: A imedância de saída ( sem contemlar a resistência de carga R L ) é dada or: Definição dos ganhos Já vimos que o ganho de corrente é aroximadamente igual ao arâmetro β e o ganho de tensão é aroximadamente igual à unidade, ficando: O ganho em otência será definido ela exressão: Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 147

10 No semiciclo ositivo do sinal de entrada, o transístor de cima -T 1 - encontra-se em condução e o de baixo -T 2 - está ao corte. Cada transístor, quando em condução, funciona como um seguidor de emissor normal, elo que a tensão ico a ico na saída é aroximadamente igual à tensão de alimentação (ara circuitos ideais), sendo a imedância de entrada elevada e a de saída baixa. 2.3 DISTORÇÃO DE CRUZAMENTO (CROSSOVER) Na montagem ush-ull o transístor de cima -T 1 - só funciona quando a tensão de olarização na base tiver um valor róximo de 0,7 V e o de baixo -T 2 - só conduz quando a tensão de olarização tiver um valor róximo de - 0,7 V. Assim, existe uma variação de tensão de entrada que vai desde os - 0,7 a + 0,7 V, em que os transístores neste tio de montagem não conduzem, o que origina uma distorção na saída, designada or distorção crossover, quando o sinal cruza o eixo das abcissas como se indica na figura 12. Figura 12 - Distorção Crossover Para eliminar a distorção crossover é necessário alicar uma equena olarização fixa directa em cada díodo emissor, o que significa localizar o onto Q ligeiramente acima do onto de corte. Página 148 Caítulo 2 Amlificadores de otência

11 3. AMPLIFICADORES EM CLASSE AB 3.1 AMPLIFICAÇÃO EM CLASSE AB Como vimos, a rincial desvantagem do amlificador em classe B é a distorção crossover, que ode ser eliminada, bastando ara isto, olarizarmos os transístores um ouco acima do corte. Este tio de amlificador é denominado classe AB, ois oera em uma faixa entre as classes A e B, como mostra a figura 13. Figura 13 - Comaração das classes de amlificação em classe A, B e AB Na oeração em classe AB, temos os transístores oerando um ouco acima do corte. Dessa forma, mesmo na ausência de sinal alicado às bases dos transístores, alguma corrente nelas, fazendo com que I C seja diferente de zero, eliminando, ortanto, a distorção or transição, um factor indesejável e ercetível elo ouvido humano. Na figura 14, temos um circuito oerando em classe AB, em que a olarização de base é obtida or intermédio de dois díodos formando um eselho de corrente. Figura 14 - Amlificador em classe AB olarizado or díodos Os esquemas da figura anterior (à esquerda) reresentam circuitos designados or eselho de corrente, em que o da esquerda utiliza um transístor NPN e o da direita um PNP. Se a característica dos díodos for idêntica à característica Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 149

12 de cada díodo emissor, então a corrente que circula no díodo de olarização é aroximadamente igual à corrente de emissor do transístor. Assim, conhecendo a tensão do alimentação ficamos a conhecer a queda de tensão na resistência R, elo que odemos determinar a corrente que circula no díodo e assim, saber a corrente de colector, considerando-a aroximadamente igual à corrente de emissor. Para manter o onto Q o mais estável ossível, or vezes odem ser utilizados dois díodos de olarização, como se aresenta na figura 14 (à direita). Este rocesso tem um inconveniente elo facto de ser difícil encontrar díodos com as mesmas características dos díodos emissores dos transístores, mas tem a vantagem de se evitar deriva térmica. No entanto, é ossível utilizar dois transístores ligados como se indica na figura 15 a funcionar como díodos. Se os transístores de olarização tiverem as mesmas características que os transístores do ush-ull, garantem a mesma corrente nos dois ramos. Figura 15 - Amlificador em classe AB olarizado or transístores A deriva térmica ode originar a destruição dos transístores or excessiva corrente de colector. Analisemos o que sucede: Quando U BE aumenta devido ao aumento de temeratura, a corrente I C também aumenta. A informação dada elo fabricante indica que a corrente de colector ode aumentar 10 vezes ara um aumento de 60 mv do U BE. Como o aumento da temeratura imlica um aumento de corrente, que origina novo aumento de temeratura, ode ser erigoso e destruir o transístor, elo que, or vezes, é necessário utilizar dissiadores de calor ara este tio do circuitos. Este efeito é designado or deriva térmica, que se ode resumir utilizando a seguinte simbologia: Página 150 Caítulo 2 Amlificadores de otência

13 4. AMPLIFICADORES EM CLASSE C 4.1 GENERALIDADES Um amlificador de otência oera em classe C quando circula corrente de colector aenas nos sinais ositivos alicados à base do transístor. Em tal classe de oeração, olarizamos o transístor num onto abaixo do corte, de modo que o sinal alicado à base tenha de vencer a tensão de início de condução do transístor ara que ele reinicie a sua oeração, resultando numa grande distorção do sinal de saída. Por esse motivo, tal classe de amlificador é aenas emregada em circuitos transmissores de radiofrequência, nos quais, or meio de circuitos ressonantes conseguimos eliminar a distorção, ou em circuitos que emregam comensação ara rerodução da segunda harmónica do sinal. 4.2 AMPLIFICAÇÃO EM CLASSE C A Figura 16 mostra um amlificador RF sintonizado. A tensão alternada de entrada excita a base e a tensão amlificada de saída aarece no colector. Deois, o sinal amlificado e invertido é acolado caacitivamente à resistência de carga. Devido ao circuito ressonante aralelo, a tensão de saída é máxima à frequência de ressonância, sendo dada or: f o 1 = 2. π. L.C O ganho de tensão desce em cada lado da frequência de ressonância f 0 como se observa na Figura 16 (b). Devido a isso, um amlificador sintonizado de classe C é concebido ara amlificar uma estreita banda de frequências. Daí que seja ideal na amlificação de sinais de radiodifusão e televisão, orque a cada estação ou canal encontra-se consignada uma estreita banda de frequências em ambos os lados de uma frequência central. Figura 16 - (a) Amlificador sintonizado em classe C. (b) Ganho de tensão em função da frequência Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 151

14 5. AMPLIFICADORES EM CIRCUITO INTEGRADO 5.1 AMPLIFICADORES EM C.I. Em vez de rojectarmos um amlificador utilizando aenas comonentes discretos, odemos utilizar etaas imlementadas com circuitos integrados que erfaçam a função de um determinado estágio, ou ainda, de todo o amlificador, bastando aenas conectarmos alguns comonentes externos aos circuito integrados, os quais serão esecificados or seus fabricantes. A seguir, aresentam-se um amlificador integrado, bem como as suas esecificações e os circuitos alicativos sugeridos elos manuais dos fabricantes. 5.2 TDA 1510 AQ-PHILIPS Esse circuito integrado é recomendado ara rojecto de amlificadores de otência, rincialmente de automóveis. Aresenta dois amlificadores internos que odem ser configurados externamente ara que o CI ossa oerar como amlificador mono - carga ligada em onte (bridge tied load - BTL) ou como amlificador stereo - (stereo mode). A otência de saída deende da imedância do altofalante, da tensão de alimentação, da taxa de distorção e dos comonentes externos. Na configuração BTL, a otência de saída ode chegar até 24 W, enquanto na configuração estéreo ela ode chegar até 2 x 12W, isto é, 12W or canal. Esecificações do TDA 15 1OAQ Tensão de alimentação Corrente de reouso Corrente quiescente total Imedância de entrada 6 a 18V 2mA (máxima) 120mA (máxima) 1MΩ (mínima) Alicação 1 Amlificador mono BTL Figura 17 - Amlificador mono com o C.I. TDA 1510 AQ As rinciais características C.A. desse amlificador, conforme o manual do fabricante, foram medidas à temeratura ambiente de 25 C e com sinal de 1kHz. Página 152 Caítulo 2 Amlificadores de otência

15 Potência de saída (R L = 4Ω; V CC = 14,4V; T HD = 10%) Ganho de tensão de malha aberta Ganho de tensão de malha fechada Resosta em frequência Imedância de entrada 20 a 24 W 75 db 40 db 20 Hz a 20 KHz 1 MΩ ( mínima) Alicação1 Amlificador stereo Figura 18 - Amlificador stereo com o C.I. TDA 1510 AQ As rinciais características C.A. desse amlificador, conforme o manual do fabricante, foram medidas à temeratura ambiente de 25 C e com sjnal de 1kHz. Potência de saída (R L = 4Ω; V CC = 14,4V; T HD = 10%) Ganho de tensão de malha fechada Resosta em frequência 10 a 12 W 40 db 40 Hz a 20 KHz Caítulo 7 Amlificadores de otência Página 153