Proposta de Trabalho mplificador de Áudio Especificações: Potência média máxima de saída igual a 10W Eficiência melhor que 55% utofalante de 8Ω Ganho em malha aberta igual a 00
nálise do Circuito Figura 1: mplificador de potência. Inicialmente vamos separar o circuito em 3 blocos básicos:, estágio de entrada;, estágio intermediário; C, estágio de saída. O estágio de saída é um push-pull com transistores em configuração Darlington. Se considerarmos EC L e o ganho aproximadamente igual a 1, podemos representa-lo como uma carga equivalente para o estágio ; com valor Ceq C11 C 1 L, onde β C1 e β C são os ganhos de corrente dos transistores. Desta forma, temos o circuito simplificado da Fig.3. Note que q é a tensão Eq equivalente da configuração Darlington (a soma dos Es dos transistores). O ganho de tensão em malha aberta é dado pela multiplicação dos ganhos de cada estágio. Como o ganho de tensão do estágio de saída é aproximadamente igual a 1, temos que o ganho total e: (1) OL
Figura : mplificador de potência em blocos básicos. Inicialmente vamos analisar o estágio. Precisamos saber o valor da tensão de pico na saída 0MX e a tensão de alimentação CC. Podemos calcular 0MX da especificação de potência máxima de saída, ou seja: 0MX LPLMX () tensão de alimentação CC pode ser calculada da especificação de eficiência máxima, ou seja: 0MX CC (3) 4 MX oltando ao estágio, temos que a tensão C v x é proveniente da saída do estágio de entrada. Esta tensão é responsável por gerar a corrente i c e a tensão de saída v 0. tensão C em cada emissor é aproximadamente igual a v x e, desta forma, i c pode ser dividida em duas partes iguais, uma para cada coletor, e dada por ic vx E. Então, temos que: 0 Ceq Ceq c x x E v i v v (4) Para estabelecer as condições de polarização adequadas para o funcionamento do circuito, vamos considerar somente a parte superior (o transistor PNP), pois devido à simetria podemos estender o resultado para a parte
inferior. o passo em que a tensão v x varia, v 0 e v C1 variam também. Mas não podemos permitir que a tensão entre emissor e coletor seja menor que ECsat, e nem que a tensão de emissor ultrapasse CC, pois isto implicaria em uma condição de polarização impossível. Figura 3: Modelo simplificado. Por inspeção, verificamos que vc1 q v0 e a tensão v EC dada por: v v v v v (5) EC Eq x C1 Eq x 0 q Substituindo (4) em (5), temos que v v v (6) 0 EC Eq 0 q tensão entre emissor e coletor é mínima quando a tensão de saída v 0 é máxima. Substituindo este resultado em (6), e aplicando a condição vec ECsat, temos a inequação: 1 1 Eq ECsat q 0MX (7)
Já a tensão de emissor v E é aproximadamente Eq vx, e vx v0 E Eq 0, ou, de forma melhor, v v. Notamos que v E é máxima quando v 0 é mínima, e o valor mínimo de v 0 é 0MX. Forçando a condição ve CC, temos que 0MX Eq CC (8) Da equação (4) podemos determinar o resistor E, e das inequações (7) e (8), podemos escolher um valor para Eq dentro do intervalo. E Ceq (9) ssumindo que IEq I Cq, podemos determinar I Cq por: I Cq CC Eq CC Eq (10) E Passemos agora para o estágio de entrada. Por inspeção, temos que q Eq Eq. Portanto, a diferença de potencial sobre o resistor C é CC Eq Eq. Neste ponto, temos a liberdade de escolher a corrente de polarização I dos transistores do estágio. De posse desta corrente, temos que C Ceq CC Eq Eq (11) I Devido à degeneração de emissor nos amplificadores diferenciais, o ganho do estágio de entrada é aproximadamente igual a C //( hie ( 1) E E, e com este valor podemos calcular o resistor E, que é dado por: Considerando IEq I é igual a CC Eq EI. Temos então que E C //( hie ( 1) E (1), a corrente através de é igual a I, e a diferença de potencial sobre o mesmo CC Eq EI CC Eq E (13) I I Com relação ao estágio de saída, os resistores EC são usados para garantir a estabilidade térmica. Para carga de 8Ω, normalmente usa-se valores entre 0.Ω e 0.47Ω. O resistor C é usado para gerar uma pequena corrente de polarização em Q C1n e Q C1p, de forma a mantê-los numa região onde os βs estejam próximos do valor máximo. Em geral utiliza-se uma corrente de polarização na ordem de 1m. O multiplicador de E pode ser dimensionado com base nas equações abaixo, lembrando que neste caso o cálculo de q deve ser realizado considerando pouca corrente através dos transistores de saída. P 1 1 q Eq 3 (14)
Q 1 3 (15) 1 1 ICq Eq q Eq 3 (16) I Cq O ganho do amplificador realimentado é definido pela malha de realimentação, e é dado por: 1 (17) 1 O capacitor C 1 é calculado de forma que a frequência de corte seja pelo menos 10 vezes menor que a frequência de corte inferior do amplificador. resistência que C 1 enxerga é 1. O valor de C 1 é dado por: 10 C1 (18) f CI 1 O resistor 4 é usado para polarizar as bases de Q n e Q p em zero. O capacitor C define a frequência de corte inferior, e é dado por: C 1 f (19) CI 4 Exemplo de Projeto Como exemplo de projeto, vamos dimensionar um amplificador da Figura 1 com as seguintes especificações: Potência média máxima de saída igual a 0W Eficiência melhor que 50% utofalante de 8Ω Ganho em malha aberta igual a 00 Ganho de tensão realimentado igual a 18 Frequência de corte inferior igual a 0Hz Dados: - Para os transistores C549 e C559, 00 e 0.7. - Para os transistores C37 e C337, 100, 0.7 e 0.5. - Para os transistores TIP9 e TIP30, 15, 0.7 @ I 10m e 1 @ I 1. E E E C CEsat E C o desenrolar dos cálculos, os valores dos componentes serão aproximados para os valores comerciais mais próximos. Das equações () e (3), calculamos a tensão de pico na carga e a tensão de alimentação. 0 MX 18
CC 4 E amos adotar ganhos iguais para os estágios e, ou seja, 00 14.1. OL Segundo os dados do manual dos transistores potência, para corrente de coletor na ordem de 1, temos 1. Para os outros transistores adotaremos 0.7. s tensões de saturação dos transistores Q C1n e Q C1p são 0.5. CEsat Das inequações (7) e (8), determinamos o intervalo de escolha para Eq. amos adotar Eq valor de E. E 1.5.7. Para Ceq temos Ceq E Eq 100 1 15 1 8 13k, e pela equação (9) obtemos o 1.8k Como temos a liberdade de atribuir a corrente de polarização do estágio de entrada, adotaremos I 1m, e pela equação (11) obtemos o valor de C. C.k Para calcular E, primeiro precisamos do valor de I Cq que, pela equação (10), é igual a 1.1m. Com este valor determinamos h ie pela fórmula h I 4.73k. ssim, pela equação (1), calculamos o valor de E. Da equação (13) obtemos o valor de. ie T Cq 68 E 1k O multiplicador de E é dimensionado pelas equações (14), (15) e (16). De (16) obtemos 3 636 e de (15) obtemos 3 170k, onde escolhemos 3 3.3k. Finalmente de (14) obtemos P1 10k. 3 3.3k P1 10k potenciômetrode k dotando o resistor 1.k sugerido no esquema do amplificador; de (17), calculamos para estabelecer o ganho realimentado de 18. 37.4k Este valor deve ser exato, pois define o ganho realimentado. Pode-se usar um resistor de precisão, uma associação de resistores ou um trimpot. O resistor C é calculado de forma a garantir uma pequena corrente de polarização em Q C1n e Q C1p, que adotaremos aproximadamente igual a 1m. diferença de potencial sobre C é 1.4. Então temos 1.4 1m1.4k, que aproximaremos para o valor comercial mais próximo. C EqCn EqCp
C 1.5k Finalmente, os capacitores C 1 e C são calculados pelas equações (18) e (19), assumindo a frequência de corte inferior igual a 0Hz. C1 33F C 180nF esultados de simulação P 0 W @ 18 L 0MX THD 0.43% @ 18 0MX 0MX 58% @ 18 Figura 4: Gráfico da tensão de saída na frequência de 1kHz e amplitude de 18.