amplificadores de potência ou amplificadores de grandes sinais
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Amplificadores de Potência
ou
Amplificadores de Grandes Sinais
Amauri Oliveira
Fevereiro de 2011
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia ElétricaUFBA
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
FinalCarga
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
VCC
12V
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
VCC
12V
V112 V
V2
0 Vpk
0kHz
0°
R12.2kΩ
A
B
AB
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
FinalCarga
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
2
opop
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
2
opop
o
IVP L
op
CC
L
op
tR
VV
R
VP
2
22
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
op
oR
VP
2
2
L
op
CC
L
op
tR
VV
R
VP
2
22
Exemplo:
RL = 8W e
PoMAX=16W
Determinar: VCC e
PtMAX
16
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 Cth
Sistema elétrico I G vC va C
Grandezas Análogas:
Representação do sistema térmico do resistor
usando analogia com o sistema elétrico
19
Modelo térmico dos transistores
Equações térmicas para um transistor
dt
dTCTTGP
j
jthmbjmbjthe
dt
dTCTTGTTG mb
mbthambambthjmbmbjth 0
Representação usando
analogia com sistema elétrico
ou
Modelo 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
22
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”
24
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
27
Amplificador de potência com componentes discretos (AN-1490)
Amplificador de potência em CI (TDA1521A_CNV_2)
28
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