amplificadores de potência ou amplificadores de grandes sinais

Amplificadores de Potênciaou

Amplificadores de Grandes Sinais

Amauri OliveiraFevereiro de 2011

Universidade Federal da BahiaEscola Politécnica

Departamento de Engenharia Elétrica

UFBA

1

Características:

•Estágio final de amplificação;

•Amplificação de grandes sinais;

•Transferência de potência para a carga;

•Impedância de saída e ganho depende da carga.

Fonte de sinal

Estágio Inicial

Estágio Intermediário

Estágio Final

Carga

Fonte de alimentação

“GND”Amplificador

2

Itens de Interesse - motivo:

•Classes de operação de amplificadores – tem relação com amplificação de grandes sinais e rendimento nos circuitos;

•Rendimento nos amplificadores e modelo térmico dos transistores – Tem relação com transferência de potência para a carga, perda de potência e aquecimento dos transistores;

•Exemplos e projeto de amplificadores de potência – modelos de circuito considerando amplificação, polarização e aquecimento de dispositivos.

3

Classes de operação

Classe A;

Classe B;

Classe AB;

Classe C;

Classe D.

As classes de operação de um amplificador de um estágio tem relação com a característica do sinal de saída em função da sua excursão e do ponto de polarização do dispositivo amplificador.

Como será visto adiante, o rendimento em amplificadores também tem relação com a classe de operação. As classes de operação (ou de amplificadores) são definidas como:

Para definir as classes de operação podemos usar o amplificador emissor comum

Q1

BC547A

VCC12V

V112 V

V2

0 Vpk 0kHz 0°

R12.2kΩ

4

Classes de operação e ponto de operação

Classe A : V1=0,640;

Classe B: V1 =0,55;

Classe AB: V1=0,6;

Classe C: V1=0,5;

Classe D !.

Q1

BC547A

VCC12V

V112 V

V2

0 Vpk 0kHz 0°

R12.2kΩ

A

BAB

C

5

Classes de operação e excursão do sinal

Classe A :

- V1=0,640, Ic=3mA;

- Saída com excursão de 360°

AQ1

BC547A

VCC

12V

V10,64 V

V2

27 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

6

Classes de operação e excursão do sinal

Classe B:

-V1 =0,55 e Ic=0;

-Saída com excursão de 180°

B

Q1

BC547A

VCC

12V

V10,55 V

V2

102 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

7

Classes de operação e excursão do sinal

Classe AB:

-V1=0,6V, Ic=0,92mA;

-180°<excursão<360°

AB

Q1

BC547A

VCC

12V

V10,6 V

V2

67 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

8

Classes de operação e excursão do sinal

Classe C:

-V1=0,5V, Ic=0;

-Excursão do sinal < 180°

-Aplicação em circuitos de comunicação !

C

Q1

BC547A

VCC

12V

V10,5 V

V2

165 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

9

Rendimento nos amplificadores de potência

Estágio Final

Carga

Fonte de alimentação

Pi

Po

Perdas por aquecimento de componentes

PerdasPP oi

i

o

P

P

Pi – Potência média fornecida pela fonte;

Po – Potência média de sinal na carga.

Rendimento

10

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador Classe A com Alimentação Série

Q1

VCC

RL

vo

)(DCLoti PPPP

QCCi IVP

8)()( ppoppo

o

IVP

QCC

ppoppo

i

o

IV

IV

P

P

8)()(

25,0MAX Vo(p-p)MAX = VCC e Io(p-p)MAX = 2IQ

Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ? 11

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador Classe A com Transformador

)(DCLoti PPPP

QCCi IVP

8)()( ppoppo

o

IVP

QCC

ppoppo

i

o

IV

IV

P

P

8)()(

5,0MAX Vo(p-p)MAX = 2VCC e Io(p-p)MAX = 2IQ

Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ? 12

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

Par complementar

Para Q1 e Q2 polarizados em classe B

13

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

)(DCLoti PPPP

/2 opCCi IVP

2opop

o

IVP CC

op

i

o

V

V

P

P

4

7854,04

MAX

VopMAX = VCC

14

Rendimento, potência nos transistores e na carga

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

oti PPP oit PPP

/2 opCCi IVP

2opop

o

IVP L

opCC

L

opt R

VV

R

VP

2

2 2

0o

ttMAX dV

dPP

CC

op

VV

2

Nesta Condição:

L

CCot R

VPP

2

2)(2

5,0

15

Rendimento, potência nos transistores e na carga

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

L

opo R

VP

2

2

L

opCC

L

opt R

VV

R

VP

2

2 2

Exemplo:RL = 8 e PoMAX=16W

Determinar: VCC e PtMAX

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Modelo térmico dos transistores

Os transistores do estágio de potência estão submetidos a níveis apreciáveis de potência elétrica que pode ser transformada em calor (aquecimento dos transistores).

Para determinar este aquecimento é necessário conhecer o modelo térmico dos transistores (dados térmicos).

Exemplo: BD135 (BD139-16.pdf)

Aplicar a exemplo anterior, e verificar se um BD135 pode ser utilizado.

17

Modelo térmico dos transistores

Representação da primeira lei da termodinâmica (conservação de energia)

Exemplo: Potência (energia por unidade de tempo) em um resistor aquecido por efeito Joule.

adi eee

Energia recebida = energia dissipada + energia acumulada

dt

dTCTTGPiv R

thaRthe 18

Modelo térmico dos transistores

Sistema elétrico análogo ao sistema térmico

dt

dTCTTGP R

thaRthe

Sistemas análogos – sistemas com equações análogas

cr iii dt

dvCvvGi C

aC

Equação do sistema térmico análoga

Sistema térmico Pe Gth TR Ta CthSistema elétrico I G vC va C

Grandezas Análogas:

Representação do sistema térmico do resistor usando analogia com o sistema elétrico

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Modelo térmico dos transistores

Equações térmicas para um transistor

dt

dTCTTGP j

jthmbjmbjthe

dt

dTCTTGTTG mb

mbthambambthjmbmbjth 0

Representação usando analogia com sistema elétrico

ouModelo Térmico

Simplificação na condição de regime !20

Modelo térmico dos transistores

Condição de regime térmico e utilização de dissipador

aajtheaambthmbjthej TRPTRRPT

21

A utilização de um dissipador acoplado ao transistor, melhora a condutância térmica entre o transistor e o ambiente (reduz Rth mb-a). Com

isto, para mesmos valores de Tj e Ta o transistor pode ser usado com um

Pe maior, e passar mais potência para a carga.

dissipador

Rth mb-a também pode ser diminuída utilizando uma ventoinha.

Modelo térmico dos transistores

Condição de regime térmico e utilização de dissipador

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Dados de dissipadores, exemplo: SERIE LPD (LPD.pdf)

Continuar exemplo com BD135

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB

Polarização com diodos

23

Porque usar fonte de corrente ?

Polarização com multiplicador VBE

Porque usar circuito classe AB ?

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB

Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”

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Origem – tensão VB12 de polarização insuficiente

Característica de

Transferência

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB

Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”

25

Distorção de 3ª harmônica !

Exemplo:

Exemplo de estágio de potência e “driver”

26

“driver”

Exemplo

Exemplos de amplificadores de potência

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Amplificador de potência com componentes discretos (AN-1490)

Amplificador de potência em CI (TDA1521A_CNV_2)