Eletrônica II. Amplificadores de Potência. Notas de Aula José Maria P. de Menezes Jr.

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1 Eletrônica II Amplificadores de Potência Notas de Aula José Maria P. de Menezes Jr.

2 Amplificadores Amplificador é um equipamento que utiliza uma pequena quantidade de energia para controlar uma quantidade maior, apesar do termo atualmente se referir a amplificadores eletrônicos. Amplificadores eletrônicos O tipo de amplificador mais comum é o eletrônico, comumente usado em transmissores e receptores de rádio e televisão, equipamentos estéreo de alta fidelidade (high-fidelity ou hi-fi), microcomputadores e outros equipamentos eletrônicos digitais, e guitarras e outros instrumentos musicais elétricos. Seus componentes principais são dispositivos ativos, tais como válvulas ou transistores. Em alta fidelidade o amplificador é um aparelho eletrônico que eleva os níveis de tensão dos sinais de áudio. Amplificadores operacionais (ampops) Amplificadores Operacionais são amplificadores diferenciais DC de alto desempenho: alto ganho, alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e grande resposta em frequência. Foram criados para implementar computadores analógicos, executando operações matemáticas (donde derivam seu nome) com valores de tensões como operandos e resultados.

3 Definções Em amplificadores de pequenos sinais as principais caracteristicas são ampliação linearidade ganho Amplificadores de grandes sinais ou de potência funcionam principalmente para fornecer energia suficiente para acionar o dispositivo de saída. Estes circuitos amplificadores irão lidar com grandes sinais de tensão e altos níveis de corrente. As principais caracteristicas são Eficiência capacidade máxima de potência impedância para o dispositivo de saída

4 Class A Class B Class AB Class C Class D Principais Tipos de Amplificadores

5 Amplificador Classe A A saída de um amplificador Classe A realiza 360º completos de oscilação de saída. O ponto Q (nível de polarização) devem ser orientadas para o meio da linha de carga para que o sinal AC pode balançar um ciclo completo. Lembre-se que a linha de carga DC indica os limites máximos e mínimos estabelecidos pela fonte de alimentação DC.

6 Amplificador Classe B A saída do amplificador Classe B só conduz para 180º ou ½ do sinal de entrada. O ponto Q (nível de polarização) é a 0V na linha de carga, de modo que o sinal AC só pode oscilar por meio de um ciclo.

7 Amplificador Classe AB Este amplificador está entre os de classe A e classe B. O ponto Q (nível de polarização) está acima da Classe B, mas abaixo do Classe A. A oscilação do sinal de saída ocorre entre 180 ºe 360 º do sinal de entrada AC.

8 Classe C A saída do Classe C conduz menos de 180 º do ciclo de corrente alternada. O ponto Q (nível de polarização) é o nível de corte, o sinal de saída é muito pequeno. Utilizada em áreas especiais de de circuitos sintonizados, tais como rádio ou comunicações.

9 Classe D A classe D é utiliza sinais pulsados. Ligados por um curto intervalo de tempo e desligados por um longo intervalo de tempo.

10 Eficiência do Amplificador Eficiência se refere à razão da potência da entrada em relaçõa a potência na saída.

11 Amplificador Classe A com realimentação-série Polarização DC? Este é similar ao amplificador de pequenos sinais, exceto que ele vai lidar com tensões mais elevadas. O transistor utilizado é um transistor de alta potência.

12 Operação AC Um sinal de entrada fará com que a tensão de saída deva variar a um máximo de Vcc e um mínimo de 0V. A corrente também poderá oscilar de 0 ma a (Vcc / RC)

13 Potência de Entrada A alimentação do amplificador é fornecida pela fonte DC. Sem sinal de entrada, a corrente drenada é a de polarização do coletor, ICQ. P (dc) V Potência de Entrada: i CC CQ [Formula 15.4] I Mesmo com um sinal AC aplicado, a corrente média drenada da fonte permanece a mesma.

14 Potência AC liberada para a carga (Rc) Potência de saída Sinais rms Pico de sinais Sinais pico-a-pico

15 Eficiência Po(ac) %η 100 Pi(ac) [Formula 15.8] A eficiência máxima é a saída máxima e oscilações de corrente. Que é de 25% para um Amplificador classe A. Eficiência Máxima? Com Vce(p-p) = Vcc Como se chega a 25%? Exemplo 16.1

16 Amplificador Classe A com acoplamento a transformador Este circuito usa um transformador para acoplar à carga. Isso melhora da eficiência da Classe A para 50%.

17 Ação do Transformador O transformador melhora a eficiência por causa da transformação de tensão e corrente através do transformador. V2 1 Relação de Voltagem: [Formula 15.9] 2 1 Relação de Corrente: [Formula 15.10] Lembre-se que os transformadores modifica tensão, corrente e impedância. L 1 Relação de Impedância: 1 2 [Formula 15.11] Como se chega nesta relação de Impedância?? V I I1 R RL N N N N R R2 N N 2 2 a Exemplo 16.2

18 Operação do Estágio Amplificador Reta de carga DC Como em todos os amplificadores Classe A, oponto Q é estabelecido perto do ponto médio da linha de carga DC. Resistência DC do transformador é baixa. Não há queda de tensão através da resistência de carga. Reta de carga AC O ponto de saturação (I Cmax ) é agora V cc /R L e o ponto de corte é V 2 (voltagem do secundario do transformador). Isso aumenta a polarização balanço de saída máxima, porque os valores mínimo e máximo de I C e V CE estão muito afastados.

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20 Oscilação do sinal e potência de saída AC Oscilação pico-a-pico: V CE (p-p) = V CEmax V CEmin Oscilação de corrente: I Cmax I cmin Potência AC: (VCEmax VCEmin)(ICmax ICmin) Po(ac) [Formula 15.13] 8 Pode também ser calculada usando-se a tensão liberada pela carga Exemplo 16.4

21 Eficiência P (dc) Potência de entrada da fonte DC: i CC CQ [Formula 15.14] Potência dissipada como calor através do transistor: V I P Q P i(dc) P o (ac) [Formula 15.15] Nota: Quanto maior o sinal de entrada e saída, menor dissipação da calor. A eficiência maxima : 2 VCEmax VCEmin %η 50 CE CE V max V min [Formula 15.16] Nota: quanto maior o valor de V CEmax e menor o valor de V CEmin, mais próximo a eficiência se aproxima da teorica de 50%.

22 Amplificador Classe B Na Classe B, a polarização DC do transistor deixa polarizado clase cortado. O transistor liga quando o sinal AC é aplicado. Isto é, essencialmente, sem polarização, e o transistor conduz corrente por apenas meio ciclo do sinal. Para se obter saída para um ciclo completo de sinal, é necessário usar dois transistores e ter cada um conduzindo em meio ciclos opostos, operação combinada fornece um ciclo completo do sinal de saída.

23 A maxima eficiência do classe B é 78.5%. Amplificador Classe B: Eficiência % = Po(AC)/Pi(DC) *100 Potência de Entrada Potência de Saída [Formula 15.19] Para maxima potência VL = Vcc e Ip=VL / Rl maximump(dc) i V CC (maximumi dc ) V CC 2V πr CC L 2V πr 2 CC L maximum P o (ac) V 2R 2 CC L Eficiência?

24 É a potência dissipada em forma de calor. Potência Dissipada Diferença entre potência de saída e potência de entrada Qual a máxima potência dissipada?

25 Amplificador Classe B - Push-Pull Transformador de entrada com derivação central para produzir sinais de polaridades opostas para os dois transistores de entrada e um transdormador de saída para acionar a carga num modo de operação push-pull.

26 Circuitos de Amplificadores Classe B Durante a metade positiva do ciclo de entrada AC: Transistor Q1 (npn) está conduzindo e Q2 (pnp) está desligado. Durante a metade negativa do ciclo de entrada AC: Transistor Q2 (pnp) está conduzido e Q1 (npn) está desligado. Cada transistor produz ½ de um ciclo AC. O transformador combina as duas saídas para formar um ciclo de AC completo.

27 Distorção Crossover Se os transistores Q1 e Q2 não ligarem e desligarem exatamente ao mesmo tempo, então existirá uma lacuna na tensão de saída.

28 Distorção do Amplificador Se a saída de um amplificador não é uma onda senoidal AC completa (360º), então ele está distorcendo o sinal resultante. Isto ocorre muitas vezes porque o amplificador é não-linear. Pode ocorrer em todas as classes de amplificadores. Distorção também pode ocorrer porque os elementos do circuito e dispositivos respondem a um sinal de entrada de forma diferente em várias freqüências. Esta distorção pode ser analisado através da análise de Fourier. Na análise de Fourier, qualquer forma de onda distorcida periódico pode ser decomposto em componentes de freqüência. Esses componentes são harmônicos da freqüência fundamental.

29 Harmônicos Harmônicas são múltiplos inteiros da frequência fundamental. Freqüência fundamental: 5kHz 1º harmônico: 1 x 5kHz 2º harmônico: 2 x 5kHz 3º harmônico: 3 x 5kHz 4º harmônico: 4 x 5kHz etc Observe que o primeiro e terceiro harmônicos são chamados harmónicos ímpares ea 2º e 4º são chamados harmônicos pares.

30 Distorção Harmônica De acordo com a análise de Fourier se o sinal não é uma onda senoidal AC completo, então ele contém harmônicos.

31 Cálculo da Distorção Harmônica Esta distorção harmônica (D) pode ser calculado: %nth harmonic distortion %D n A A n [Formula 15.30] onde A1 é a amplitude da freqüência fundamental e e An é a amplitude do maior harmônico. A distorção harmônica total (THD): %THD D D D [Formula 15.31]

32 Distorção do Segundo Harmônico Forma de onda aproximada de um sinal distorcido: I C I CQ I0 I1 cost I 2 cos 2t No ponto 1 (wt = 0) No ponto 2 (wt = /2) No ponto 3 (wt = )

33 Dissipador de transistor de potência Transistores de alta potência dissipada uma grande quantidade de energia em calor. Isso pode ser destrutivo para da do amplificador, bem como para os componentes próximos. Estes transistores requerem dissipadores.

34 Amplificador Classe C Um amplificador Classe C conduz por menos de 180 º. A fim de produzir uma saída de onda senoidal completa, a Classe C usa uma circuito sintonizado para fornecer a onda senoidal AC completo. Limitador a uma faixa fixa de frequencia. O Classe C é amplamente utilizado em circuitos de comunicações e de rádio.

35 Amplificador Classe D Um do amplificador classe D amplifica pulsos. Ela exige uma entrada pulsada. Existem muitos circuitos que podem converter uma onda senoidal a um pulso, bem como os circuitos que convertem um pulso para uma onda senoidal. Este circuito possui aplicações em circuitos digitais.