AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA

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AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA

Amplificadores de potência, Estágios de saída, Conversores de potência DC para AC, amplificadores para grandes sinais.

Fig. 1: Conversor DC para AC.

Requisitos:

- Entregar uma quantidade específica de potência para carga com níveis de distorção aceitáveis; - Alta impedância de entrada e baixa impedância de saída;

- Baixa potência quiescente (Se o sinal de entrada é zero a potência dissipada deve ser baixa);

Na eletrônica direcionada para áudio:

- Pré-amplificadores (amplificadores de pequenos sinais) - Mesas de som – misturadores (diversos sinais e níveis) - Equalizadores – Filtros

- Amplificadores de Potência

Amplificadores de pequenos sinais

- Fatores de principal interesse – ganho e linearidade

- Fatores secundários – Capacidade e eficiência com relação a potência, pois tensão e corrente provenientes do transistor de entrada são pequenas.

Amplificadores de grandes sinais

- Devem ser capazes de amplificar sinais de grande potência (alguns Watts ou centenas de Watts. Operam com sinais grandes (alguns Volts ou dezenas de Volts)

- Fatores de interesse – Eficiência do circuito

- Capacidade máxima de potência

- Casamento de impedâncias com o dispositivo de saída.

Objetivos

1. Fornecer potência o mais economicamente possível com baixo nível de distorção; 2. Satisfazer limitações de tamanho, peso, fonte de alimentação, distorção, etc.; 3. Minimizar impedâncias de saída para que a carga não afete o ganho de tensão;

4. Deve ter baixo consumo de potência quiescente (rendimento) e não limitar a resposta em frequência.

5. O elemento ativo (transistor) deve operar no limite de seu funcionamento (cuidados com o aquecimento)

6. Simulações com o SPICE

Introdução

Válvula triodo ⇒ 1906

Necessidade sistemas potentes ⇒ música para grandes públicos.

Grande quantidade de caixas acústicas + baixa eficiência + grande quantidade de potência requerida ⇒ maior rendimento.

S L P P = η

onde PL é a potência na carga RL e PS é a potência fornecida pela fontes de alimentação.

Outra característica importante dos amp. de potência ⇒ pequena distorção

Definições

Fig. 2: Amplificador emissor comum com tensões e correntes definidas. AC DC

( )

C c C i t I i = +

( )

O o O v t V v = +

( )

B b B i t I i = + Potência Média PL – Potência na carga PS – Potência na fonte PC – Potência no coletor

Classificação dos estágios de saída

Uma forma de classificar amplificadores de potência é através das classes de operações caracterizadas pelo ponto de operação e/ou modo de operação do estágio de saída.

Os amplificadores Classe A são os de menor rendimento, porém são os que apresentam menor distorção. A maioria das análises são desenvolvidas para cargas resistivas no estágio de potência.

De acordo com a forma de onda da saída:

Classe A

(25% de rendimento) (50% com indutor) Transistor conduz 360º. Todo ciclo do sinal de entrada.

Classe B (78,5% de rendimento) IC = 0 Transistor conduz 180º. Classe AB (78,5% de rendimento) Conduz entre 180º e 360º. IC << Ip Classe C

Conduz menos que 180º. Conhecido como amplificador

Sintonizado

OUTRAS CLASSES DE OPERAÇÃO Classe S ou D

S ou D – Sistema de modulação PWM seguido por um filtro passa-baixa. Para outros autores o classe D é o Classe C excitado por uma onda quadrada. Os amplificadores classe D também são conhecidos como "amplificadores chaveados" e isso se deve ao fato de que os transistores de saída não operam continuamente, como vimos até agora, e sim como "chaves", comutando a tensão de alimentação (+ e – Vcc) à carga.

À primeira vista o funcionamento destes amplificadores pode parecer um tanto quanto complexo, mas o princípio é simples:

O sinal de entrada (áudio, representado pela senóide) é constantemente comparado com uma referência (portadora, onda triangular) com freqüência muitas vezes maior que a máxima freqüência contida no sinal de áudio (20 kHz, teórico). O resultado é uma onda quadrada cuja a largura do pulso varia proporcionalmente à amplitude do sinal de entrada, áudio. Esse sinal (onda quadrada) é aplicado ao estágio de potência (transistores como "chaves") que por sua vez o envia à carga através de um filtro passa-baixas, que recuperará a "forma" original do sinal. Esse é o princípio da "Modulação por Largura de Pulso" – PWM (Pulse Width Modulation.

Fig. 5 – Princípio PWM

Essa classe de operação tem um rendimento bastante alto, que fica na casa dos 90% (típico), mas não tem a qualidade de baixa distorção, relativa, que um amplificador contínuo (classe A e AB) tem.

Classe E

Assim como a classe C, serve para aplicação em RF. É basicamente um Classe C com um capacitor em paralelo no coletor, para proporcionar um aumento do rendimento.

Classe F

Também para aplicação em RF. Classe C com um circuito tanque em série (na saída) sintonizado no terceiro harmônico, também aumentando o rendimento (Frederik Haab).

Classe G

Essa classe de operação une a "linearidade" inerente aos amplificadores classe A com o maior rendimento dos amplificadores classe AB. Como?

Sabemos que um amplificador classe A é o que apresenta melhor característica de linearidade mas também é o que tem menor rendimento, e isso faz com que esta configuração seja praticamente inviável em grandes potências; já o amplificador classe AB não tem característica de linearidade tão boa quanto ao amplificador classe A mas, em contra partida, tem maior rendimento.

(grandes potências), determinado por + e – Vcc1 , aproveitando o que cada uma das classes oferece de

melhor.

Fig. 6: Princípio do amplificador classe G

Amplificadores classe G têm rendimento na casa dos 70% (típico). Classe H

Fig. 7: Princípio do amplificador classe H

Uma deficiência desta classe de operação é o fato de que, em altas freqüências, a velocidade do "chaveamento" fica comprometida, devida à tecnologia dos componentes (ainda não são suficientemente rápidos), fazendo com que apareçam maiores níveis de distorção, relativamente aos de baixa freqüência.

Em contrapartida, amplificadores classe H têm maior rendimento que amplificadores classe A, B e AB, e se igualam aos amplificadores classe G.

Classe I

Essa classe de operação une a "linearidade" da classe A com a eficiência da classe D.

Já vimos que amplificadores classe A são a melhor opção para boa linearidade e os amplificadores classe D para alto rendimento; mas uma classe opera em modo contínuo e outra em modo "chaveado"

O sinal de áudio é aplicado simultaneamente ao amplificador classe A e ao classe D; o classe A fornece potência à carga (alto-falante) e o classe D fornece a alimentação ao classe A. Desta forma, a tensão (fonte) fornecida ao estágio de saída classe A será sempre só, e somente só, o necessário para garantir que o sinal de áudio (potência) seja perfeitamente entregue à carga; ainda, é necessário um "resíduo" de tensão (Voffset) nos transistores para que estes fiquem sempre na região de operação

contínua. Fig. 8.

O rendimento desta classe de operação fica entre 70% e 80% (típico) o que, por analogia, seria um amplificador classe A com rendimento igual ao classe G ou H.

Parâmetros técnicos

Potência Potência RMS (potência eficaz)

Potência IHF – Foi proposta pelo Institute of High Fidelity onde é levado em consideração o fato de que o amplificador trabalhará com programas musicais e não com um sinal senoidal puro, o que é fato.

Potência PMPO – Peak Maximum Power Output (máxima potência de pico) – Potência criada só para efeitos comerciais.

Resposta em freqüência Magnitude e fase Distorção Distorção harmônica total (THD)

Distorção por intermodulação – modulação de dois sinais com freqüências diferentes aplicados ao mesmo tempo no amplificador

Slew Rate

Relação sinal-ruído

Fator de amortecimento Relação entre a impedância da carga e a impedância do amplificador.

Determinação das retas de carga e do ponto quiescente

Para ter máxima potência na carga é necessário ter máxima excursão do sinal sem distorção. Uma forma de se obter esta máxima excursão é centrando o ponto de operação do transistor no meio da reta de carga AC (dinâmica).

Para determinação será usado o circuito da Fig. 9.

Fig.9 : Amplificador emissor comum com carga RL.

a) ANÁLISE DC (sem sinal)

Considerando o circuito emissor comum da Fig.9 e a malha de saída onde se tem iCE e vCE do

transistor, pode-se encontrar:

Fig. 10: Curvas características do transistor com a reta de carga e o ponto de operação. b) ANÁLISE CA ic(t) e vce(t) ≠ 0 CE AC AC CE C C v R 1 R V I i _−      + = R_AC =R_C // R_L

Fig. 11: Curvas características do transistor com as retas de carga AC e DC e o ponto de operação. O ponto quiescente deve ser colocado no meio da reta de carga AC, assim:

2 V R I V C AC CE CE_Q + = Só que agora Q CE CE V

V = e IC =ICQ pois foi definido o ponto quiescente.

DC AC CQ R R Vcc I + = DC AC AC CE R R VccR V Q = +

Considerando R_AC = R_DCas retas se coincidem.

Fig. 12: Diferentes localizações do ponto quiescente de um amplificador.

__________________________________________________________________________________ Exercícios:

Determinar as retas de carga e o ponto quiescente para cada um dos circuitos abaixo.

__________________________________________________________________________________

Cálculo das Potências Médias e do Rendimento

A potência média fornecida ou dissipada através de qualquer elemento linear ou não linear é, simplesmente:

∫

= T 0 C C i. dt v T 1 P (potência média)

Onde vC e iC são a tensão e a corrente total, respectivamente.

( )

C c

C v t V

v = + i_C =i_c

( )

t +I_C Considerando sinal senoidal

Potência DC potência AC

Dissipação de potência no amplificador

P₁ = I₁2R₁ P₂ = I₂2R₂ I_CQ R_C R_E R₁ R₂ V_CC I₁ I₂ I_CC P_C = I2_CQR_C P_T = I2_TQR_T P_E = I2_EQR_E I_EQ Ptot = P1 + P2 + PC + PT + PE

Fig. 13: Distribuição das potências no amplificador classe A

A diferença entre a potência fornecida pela fonte de alimentação e esta potência total dissipada é a potência que realmente vai para a carga, isto é, a potência de saída.

Uma figura de mérito para o amplificador de potência é seu rendimento (η).

O rendimento (η) é definido como a razão da potência AC na saída (potência entregue a carga) pela potência DC de entrada.

% 100 ) dc ( P ) ac ( P % 100 entrada DC potência saída AC potência S L × = × = η

Amplificador classe A (Fig. 13)

A forma de onda da saída tem a mesma forma da onde de entrada (com defasamento ou não). A corrente de coletor não é zero 100% do tempo.

Amplificador ineficiente – mesmo com sinal de entrada igual a zero, a corrente ICQ no

transistor é diferente de zero.

Certamente é a classe que apresenta melhor característica de linearidade entre todas, mas também, é a que tem menor rendimento, idealmente não passa de 25% (10%, típico). Isso se deve ao fato de que os transistores de saída estão sempre em condução, pois existe uma corrente de polarização constante com valor no mínimo igual à máxima corrente de carga.

1) Potência na carga (PL)

A Potência útil na carga é a potência AC.

∫

= T 0 L 2 C LAC i .R dt T 1 P Supondo i_c(t)=I_CPcos

( )

ωt 2 R I P L 2 CP LAC =

- Ainda não temos a potência máxima na carga.

- Para que isto ocorra deve-se ter máxima excursão do sinal, isto é, ICP =ICQ(meio da reta de carga

Assim, para este circuito, temos:

(

L L

)

CQ R R . 2 Vcc I + = L 2 LAC R 8 Vcc P máx = Para RL >> RE

2) Potência fornecida pela fonte de alimentação (PS)

∫

= T 0 C S Vcci. dt T 1 P =

∫

(

+

)

T 0 C c S Vcc.i (t) I dt T 1 P

( )

∫

+ = T 0 c CQ S Vcci. t dt T 1 I . Vcc

P o valor médio do sinal é zero, assim

CQ S Vcc.I

P =

mas para este circuito

(

L E

)

CQ R R 2 Vcc I + = e para RL >> RE L S R . 2 Vcc P =

3) Cálculo do rendimento ntação (PS) 25 , 0 P P S LAC = = η η=25% rendimento máximo 4) Potência dissipada no coletor (PC)

- Junção de coletor é a que mais sofre com a dissipação de potência.

∫

= T 0 C CE C v i. dt T 1 P

( )

(

)

(

( )

)

∫

+ + = T 0 CQ c CEQ ce C v t V .i t I dt T 1 P

( ) ( )

∫

+ = T 0 c ce CQ CEQ C v t i. t dt T 1 I . V P

Para excursão simétrica máxima:

2 Vcc VCEQ = L CQ R . 2 Vcc I = para RL >> RE Supondo ic(t)=ICPcos

( )

ωt 2 R . I R 4 Vcc P L 2 CP L 2 C = −

Se o sinal de entrada for igual a zero (ICP = 0), temos máxima dissipação no coletor.

Se o sinal de entrada for máximo

L CQ CP R . 2 Vcc I I = =

EXEMPLO

Calcule a potência entregue pela fonte de alimentação [PS(dc)], potencia de saída [PL(ac)], e o

rendimento [η] para o amplificador da fig. abaixo com tensão de entrada que resulte em uma corrente de base de 10mA de pico.

R_C R_B +V_CC = 20V I_C V_i 25 = β Ω 20 Ω k 1 V_o

Fig. 14:Amplificador classe A e sua característica de saída. Solução:

(

)

% 5 . 6 % 100 P P W 6 . 9 ) A 48 . 0 )( V 20 ( I V P W 625 . 0 ) 20 ( 2 A 10 250 R 2 I P peak mA 250 ) peak mA 10 ( 25 I I V 20 V V A 1 mA 1000 20 V 20 R V I V 4 . 10 ) 20 )( A 48 . 0 ( V 20 R I V V A 48 . 0 mA 5 . 482 ) mA 3 . 19 ( 25 I I mA 3 . 19 k 1 V 7 . 0 V 20 R V V I ) dc ( i ) ac ( o CQ CC ) dc ( i 2 3 C 2 ) peak ( C ) ac ( o C CC ) sat ( c B ) peak ( b ) peak ( C CC ) cutoff ( CE C C CC CEQ CQ B BE CC BQ = × = = = = = × = = = = = = = = = = = = − = − = ≅ = = = = − = − = −

η

Ω

β

Ω

Ω

β

Ω

__________________________________________________________________________________ Amplificador classe A acoplado com transformador.

Input +V_CC R_E R₁ R₂ R_L N₁:N₂ Z₂ = R_L Z₁

Fig. 15: Amplificador classe A acoplado com transformador L 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 R Z Z Z N N I I V V N N = =       = =

N1, N2 = Número de espiras no primário e no secundário

V1, V2 = Tensão no primário e no secundário

Z1, Z2 = Impedância no primário e no secundário ( Z2 = RL )

• Uma importante característica do transformador é a capacidade de produzir uma força eletromotriz contrária (counter emf).

• Quando um indutor experimenta uma variação rápida de tensão ele produz uma tensão com polaridade contrária a tensão aplicada.

• A força eletromotriz é causada pelo campo eletromagnético que circunda o indutor.

A polarização DC de um amplificador classe A acoplado a transformador é similar a outros classe A mas com uma exceção importante: o valor de VCEQ é projetado tão próximo quanto possível do valor

de Vcc.

A reta de carga é muito próxima de uma reta vertical indicando que VCEQ será

aproximadamente igual a Vcc para qualquer valor de IC.

A reta de carga na posição vertical é causada pela resistência DC muito baixa do primário do transformador (curto circuito).

VCEQ = VCC – ICQ(RC + RE)

O valor de RL é ignorado na análise DC. A razão para isto é que o transformador proporciona isolação

DC entre o primário e o secundário.

V_CE I_C I_B = 0mA DC load line V_CE I_C I_B = 0mA DC load line ac load line I_C(max) = ?? ~ V_CEQ ~ V_CC ~ 2V_CC Q-point

Fig. 16: Retas de carga DC e AC do amplificador classe A acoplado com transformador. 1. Determinação da variação máxima possível em VCE

Desde que VCE não possa variar de uma quantidade maior que (VCEQ – 0V), vce = VCEQ.

2. Determinação da variação correspondente em IC

Encontre o valor de Z1 do transformador: Z1 = (N1/N2)2Z2 e ic = vce / Z1

3. Plote a reta que passe através do ponto Q e o valore de IC(max). IC(max) = ICQ + ic

4. Localise os dois pontos onde a reta de carga passe através da ligação representando os valores máximos e mínimos de IB. Estes dois pontos são então usados para encontrar os valores máximos e

Fig. 17: Circuito para determinação da reta de carga AC.

Há várias razões para as diferenças entre a eficiência teórica e prática para o amplificador:

1. A obtenção de η = 50% assume que VCEQ = Vcc. Na prática, VCEQ será sempre um

valor menor que Vcc .

2. Perdas no transformador que não foram computadas.

2. Uma das vantagens primárias de usar acoplamento a transformador no classe A é o amento na eficiência sobre o amplificador com acoplamento capacitivo.

3. Outra vantagem é o fato de que o amplificador com acoplamento a transformador é facilmente convertido em um tipo de amplificador que é usado extensivamente em comunicações - amplificador sintonizado.

Outras formas do amplificador classe A

1- Amplificador polarizado com fonte de corrente.

(Sedra)

Fig. 18: Amplificador classe A polarizado com fonte de corrente.

Transistor Q1 responsável pela condução do sinal e Q2, agindo como fonte de corrente, polariza Q1.

A Fig. abaixo mostra o diagrama de uma etapa de saída (estágio complementar), a qual constitui a célula básica de amplificadores Classes A, B e AB. (Sidnei Noceti )

Fig. 19: (a) Etapa de saída de amplificadores Classes A, B e AB. (b) Correntes nos coletores dos transistores Q1 e Q2 e na carga.

onde a corrente de polarização IQ é dada por: IQ = ICpico +Iman e Iman (corrente de manutenção)

é a corrente necessária para garantir que o transistor sempre opere na região ativa direta para as condições extremas de excursão do sinal. Como

I

Lmax

=

2

.

I

Cpico CQ L Iman

I

I = +

2 max

Para que os transistores nunca entrem em saturação é necessário que: CEsat

L

CC V V

V = _max +

então, 2

(

max

)

₂max  .

     + ⋅ + ⋅ = L CEsat L man S I I V V P

A potência média na carga, P_L, é dada por

P

L

=

V

L

/

(

2

⋅

R

L

)

2

, sendo VL a tensão de pico na

carga. Definindo-se o fator γ como γ =Iman/ILmax e considerando que ILmax =VLmax/RL,

pode-se obter o rendimento η= P /L PS , por:

. 2 1 1 ) / ( 1 1 2 1 max 2 max + γ ⋅ + ⋅       ⋅ = η L CEsat L L V V V V

A equação (3) nos mostra que o rendimento teórico máximo para operação em Classe A é 50%, isto considerando VCEsat=0, Iman =0 e VL =VLmax. Considerando que esta situação ideal não

acontece na prática e que não consideramos o consumo do circuito de polarização, o rendimento sempre será < 50%.

Amplificador classe B

Utiliza um par complementar (push-pull). Corrente de polarização igual a zero.

Funcionamento – ver função de transferência abaixo . Dois seguidores de emissor.

(a) (b)

(c)

Fig. 21: (a) Amplificador classe B, (b) característica de transferência, (c) sinal de saída do classe B.

Fig. 22: Sinais entrada e saída de um amplificador classe B

onde

I

S, é a corrente média em Q1, que conduz apenas um semi-ciclo por período. CEsat

L

CC

V

V

V

=

_max

+

.

V

_CC

≅

V

_Lmax

No caso de Classe B, deve-se considerar V_BIAS =0. Como I_S =I_L/π e IL =VL /RL, pode-se

mostrar que:

.

I

V

2

P

L max L S

=

⋅

⋅

π

Sabendo-se que η=PL/ PS , obtém-se:

.

)

V

/

V

(

1

1

V

V

4

_{Lmax CEsat Lmax}

L

+

⋅

⋅

=

π

η

A equação nos mostra que o rendimento teórico máximo para operação em Classe B é 78,5%, isto considerando

V

CEsat

=

0

e

V

L

=

V

Lmax .

Fig. 23: Rendimento do amplificador classe B Potência dissipada

- A dissipação no estado quiescente é zero

- Quando um sinal for aplicado a potência média dissipada no estágio classe B será:

L S C

P

P

P

=

−

R

.

2

V

R

.

V

.

V

.

2

P

L 2 L L L CC C

=

π

−

- Pela simetria, metade da potência é dissipada em QN e metade em QP. Logo QN e QP devem

dissiar PC/2 (W). Derivando a equação de PC em função de VL e igualando a zero

0

V

P

L D

=

∂

∂

π

CC P L

V

.

2

V

Cmáx

=

Substituindo este valor na equação de de PC

Amplificador classe AB

) ( 2 _{CC S Q} S S S P P V I P = ₊ + ₋ = ⋅ ⋅ θ

Para a Classe AB, I_C é a corrente média I_S(θ_Q), função da corrente de polarização, I_Q, e da

corrente fornecida à carga, iL.

No caso de Classe AB, deve-se considerar VBIAS maior do que zero, porém menor do que a

necessária tensão para operação em Classe A (Fig. 1). Na Fig. 3, estão representadas as correntes de polarização, I_Q, e a fornecida à carga, iL, e as correntes nos coletores, iC1 e iC2, função do ânguloθ. Baseando-se nesta figura, a corrente média I_S(θ_Q) é dada por:

(

)

θ       θ + π + θ       θ + π + + θ θ π + θ       θ + π = θ

∫

∫

∫

∫

π θ − π θ + π θ − π θ − π θ θ d sen I I d sen I I d sen I d sen I I I Q Q Q Q Q Q L Q L Q L L Q Q S 2 2 0 2 2 1 2 2 1 2 1 2 2 1 ) (

Resolvendo a equação acima obtem-se:

, cos 2 ) ( _{Q Q Q} L _Q S I I I ⋅ θ π + π ⋅ θ ⋅ = θ

Fig. 24 - Correntes nos coletores dos transistores e na carga.

onde I_Q<I_Lmax 2 e θ_Q é o ângulo de transição entre a operação em Classe A e Classe AB. Esse ângulo

pode ser expresso em função dos parâmetros de projeto como é mostrado a seguir. Com base na Fig. 24, pode-se obter

Q L

Q I

I =( _max/2)⋅senθ

Substituindo essa última expressão na expressão de I_S(θ_Q), obtem-se I_S(θ_Q)em função apenas de θ_Q e

L I . . cos sen ) ( _Q Lmax _{Q Q} L _Q S I I I ⋅ θ π + θ ⋅ θ ⋅ π = θ

(

sen cos

)

, 1 2 max max max Q L Q Q L L CEsat L L S V V V V R V P _⋅ θ θ + θ      + ⋅ π = e o rendimento (η= PL / PS ): . cos sen 1 1 4 max max max max Q L L Q Q L L L CEsat L L V V V V V V V V θ ⋅ + θ ⋅ θ ⋅ + ⋅ ⋅ π = η

A Fig. 25 mostra, para V_CEsat =0, o rendimento em função da potência de saída, parametrizada pelo o fator λ, dado por λ=2⋅IQ/ILmax. Com isso, obtém-se a transição entre a Classe B (IQ =0) e

a Classe A (IQ =ILmax/2), para Iman =0.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 PL/PLmax R en d im en to % λ=0,00 (Classe B) λ=0,10 λ=0,30 λ=0,50 λ=1,00 (Classe A)

Fig. 25 - Rendimentos dos amplificadores Classe AB.

Na prática, o dimensionamento de uma etapa de potência é comumente realizado considerando-se apenas carga resistiva; é atribuída uma margem de considerando-segurança e testa-considerando-se o circuito. Desta forma, não há qualquer garantia de que a etapa de potência seja bem dimensionada, podendo tornar o projeto tecnicamente ou comercialmente inviável.

resultados.

Conclusões

Amplificadores de áudio são dispositivos utilizados nos mais diferentes e diversos tipos de aplicações. Dimensioná-los é uma tarefa árdua devido às diversas variáveis envolvidas no projeto: condições climáticas (umidade, temperatura, etc.), tipos de aplicações (instalações fixas, móveis, etc.), tipos transistores (diferentes propriedades, tolerância nas características elétricas, etc.) e,

principalmente, as estruturas de caixas acústicas utilizadas.

A importância de se considerar cargas reativas, e não apenas cargas resistivas, pelo fato de as potências dissipadas para cargas reativas (caso real) poderem atingir valores bem maiores do que as potências dissipadas para cargas resistivas estão apresentadas na referência [1].

3.5.2–PROCESSOS DE REMOÇÃO DO CALOR

•

Condução Térmica: desde a junção até o invólucro (junção tem normalmente contato direto com a

base de montagem em semicondutores de potência).

•

Convecção: transmissão de calor para o ar que adquire movimento ascendente nas vizinhanças do

invólucro.

•

Radiação: propagação de energia térmica, calor. Depende da emissividade do corpo (por exemplo,

alumínio brilhante ou alumínio opaco.

3.5.3–CIRCUITOS TÉRMICOS P j T A T P

: resistência térmica total

j T : temperatura da junção A T : temperatura ambiente [W] o [ C/W] o [ C] o [ C] : potência dissipada θT θT

Relativamente ao circuito mostrado na Fig, acima pode-se escrever a Lei de Ohm Térmica

T A

j T P

T − = θ

Como existe uma temperatura máxima para as junções dos semicondutores, isto é, Tj ≤Tjmax

(T_jmaxé cerca de 200oC para o silício) então,

P T T_{j A} T − ≤ θ max

Essa equação permite calcular a mínima resistência térmica que deve existir entre a junção (ou onde está sendo gerado o calor) e o ambiente.

A resistência térmica total θ_Té obtida da associação de várias resistências térmicas como pode ser visto na Fig. abaixo.

A C θCS A C θ A S SA θ jC θ J J: junção C: invólucro (case) S: dissipador (sink) A: ambiente ) //( CS SA CA jC T =θ +θ θ +θ θ

3.5.4–DETERMINAÇÃO DAS RESISTÊNCIAS TÉRMICAS

A) RESISTÊNCIA TÉRMICA ENTRE A JUNÇÃO E O INVÓLUCRO θ_jC

Esta resistência o fabricante do semicondutor fornece ou dá condições para o seu cálculo.

250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 200 175 150 125 100 75 50 25 0 C/W 875 , 0 0 ≤ θ C) (0 C T A C jC θ J P T Tj− C=θjC C J A C T

T ≡ eqüivale a se ter um dissipador infinito

C

W C W C _jC jC jC / 0,875 / 200 175 200 25 200− =θ _⇒θ = 0 _⇒θ = 0

B) RESISTÊNCIA TÉRMICA ENTRE O INVÓLUCRO E O AMBIENTE θCA

Esta resistência o fabricante do semicondutor fornece ou dá condições de se calcular.

200 175 150 125 100 75 50 25 0 TA C/W 350 ≤ θjA 0 1 2 3 4 5

6 Sem o ramo que inclui θCS e θSA corresponde a

usar o transistor sem dissipador A C A C θ θ J JC P T Tj− A=θ CA JC JA=θ +θ θ JC JA CA=θ −θ θ ∴ JA Pmax[W] C) (0 2N6330 , C/W C/W o _JA o A J A J 35 5 175 5 25 200− =θ ⇒θ = ⇒θ = W C o JC JA CA=θ −θ =34,125 / θ

C) RESISTÊNCIA TÉRMICA ENTRE O INVÓLUCRO E O DISSIPADOR θCS

O valor desta resistência depende do uso ou não de pasta térmica e também do uso ou não de isolante elétrico. Seu valor pode ser obtido da tabela abaixo.

TABELA 1-Valor de θ_CS[0C/W]

Isolante Térmico A Seco Untado com graxa de silicone Nenhum 0,20 0,10 Mica 30 um 0,80 0,40 Mica 50 um 1,25 0,85 Mica 100 um 1,50 1,10 Alumínio anodizado 0,40 0,35 Mica e arruela de chumbo a 1 mm 0,50 ---

D) RESISTÊNCIA TÉRMICA ENTRE O DISSIPADOR E O AMBIENTE θSA.

Após a determinação do θ_SA desejado, devemos saber determinar o dissipador cujo tamanho dependerá, entre outras coisas, do valor de θ_SA.

Exemplo:

a) Calcular a resistência térmica que deve ter um dissipador para o transistor 2N6330 sabendo que a potência que ele deve dissipar é P=6,958W , T_jmax =200 0Ce temperatura ambiente de 50oC. Adote

C/W 5 , 1 0 = θCS . R: O transistor 2N6330 possui θ_CA =θ_JA−θ_JC =34,125oC/W P T T_{j A} T − ≤ θ max _T 21,558oC/W 958 , 6 50 200 = − ≤ θ C/W 007 , 51 0 = θSA E) DETERMINAÇÃO DE DISSIPADORES

Uma vez calculada θ_SA, determina-se dissipador através de uma das 3 formas mostradas a seguir:

• Tabelas (normalmente para poucos casos)

• Manual dos fabricantes de dissipador

PROTEÇÃO CONTRA CURTO CIRCUITO E INTERRUPÇÃO TÉRMICA

Fig. 23: Estágio de saída classe AB com proteção de curto circuito. O circuito de proteção mostrado opera em eventos de curto circuito na saída enquanto vo é positivo.

Em adição a proteção térmica a maioria dos amplificadores de potência em IC´s são equipados com um circuito que interrompe o funcionamento se é excedida uma temperatura de segurança.

Fig. 24: Circuito de interrupção térmica.