ELETRÔNICA AULA 14. Amplificadores de Potência. Prof. Dra. Giovana Tripoloni Tangerino

ELETRÔNICA

AULA 14

• Amplificadores de Potência

TIPOS DE AMPLIFICADORES

• Quanto à FREQUÊNCIA dos sinais

• Amplificadores de baixa frequência

• Operam com frequências de 0,1Hz a 30KHz (abaixo da faixa de áudio até VLF)

• Amplificadores de média frequência • Operam com frequências na faixa de LF • Amplificadores de alta frequência

• Operam com frequências acima de LF (sendo classificados conforme a faixa de operação: VHF, UHF, micro-ondas, etc)

Tipos de Amplificadores quanto à AMPLITUDE dos sinais

• Amplificadores de pequeno sinal ou baixa potência

• Sinais de entrada são da ordem de unidades de µV a dezenas de mV, • ou correntes de coletor da ordem de unidades a centenas de mA, • ou potências de coletor de centenas de mW.

• Amplificadores de média potência

• Sinais de entrada são da ordem de centenas de mV,

• ou correntes de coletor da ordem de centenas de mA a unidades de Ampère, • ou potências de coletor da ordem de centenas de mW a unidades de Watt. • Amplificadores de potência

• Sinais de entrada são da ordem de centenas de mV,

• ou correntes de coletor da ordem de unidades a dezenas de Ampère, • ou potências de coletor da ordem de unidades a centenas de Watt.

• Exemplo:

• Telefone celular deve alimentar a antena com 1W de potência

Objetivos dos Amplificadores de

• Pequenos sinais:

• alcançar ganho elevado com níveis adequados de impedâncias de entrada e de saída

• Potência:

Parâmetros importantes dos Amplificadores de

• Pequenos sinais:

• Linearidade na amplificação • magnitude do ganho

• Potência:

• Capacidade de fornecimento de potência • Eficiência

• Casamento de impedância

• Distorção (não linearidade que resulta da operação em grandes sinais)

• Um amplificador de áudio de alta qualidade deve sofrer distorção muito baixa para que possa reproduzir música com alta fidelidade

AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA

• Fornecem altos níveis de potência e grandes excursões de sinal à cargas de impedância relativamente baixas

• Fornecem potencia suficiente para uma carga de saída para acionar um dispositivo de potência (na faixa de alguns watts a dezenas de watts)

• Podem operar em diferentes classes, dependendo da fração do ciclo de entrada durante a qual o transistor conduz.

• Transistores de alta potência devem tolerar altas correntes e temperatura elevada

POTÊNCIA

• 𝑃 = 𝑉. 𝐼 = 𝐼2_{𝑅 =} 𝑉2 𝑅

• Para CA: (valor varia em função do tempo)

• 𝑃(𝑡) = 𝑉(𝑡). 𝐼(𝑡) • 𝑃_𝑚𝑒𝑑 = 𝑉_𝑟𝑚𝑠𝐼_𝑟𝑚𝑠 = 𝐼_𝑟𝑚𝑠2 𝑅 = 𝑉𝑟𝑚𝑠2 𝑅 • 𝑃_𝑚𝑒𝑑 = 𝑉𝑟𝑚𝑠2 𝑅 = 𝑉_𝑝−𝑝2 8𝑅 = 𝑉_𝑝2 2𝑅 • 𝐼_𝑟𝑚𝑠 = 𝐼𝑃 2 • 𝑉_𝑟𝑚𝑠 = 𝑉𝑃 2 • 𝑉_𝑃: tensão de pico • 𝐼: corrente de pico

Potência aparente (VA ou RVA) 𝑆 = 𝑉_𝑒𝑓𝐼_𝑒𝑓

Potência reativa (VAr) 𝑄 = 𝑉_𝑒𝑓𝐼_𝑒𝑓sin 𝜃 Potência ativa (W) 𝑄 = 𝑉_𝑒𝑓𝐼_𝑒𝑓 cos 𝜃 Triângulo de potência Fp<1 : capacitiva corrente adiantada Fp<1 : indutiva corrente atrasada Fp=1 : resistiva Fp = cos 𝜃

EFICIÊNCIA ou RENDIMENTO

• A eficiência de um amplificador representa a quantidade de potência CA entregue (transferida) a partir da fonte CC

• % 𝜂 = 𝑃𝑜(𝐶𝐴)

𝑃_𝑖(𝐶𝐶) × 100%

• 𝑃_𝑖 𝐶𝐶 = 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑟𝑛𝑒𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑙𝑎 𝑓𝑜𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑎𝑙𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎çã𝑜 𝑎𝑜 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 • 𝑃_𝑜 𝐶𝐴 = 𝑝𝑜𝑡ê𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛𝑡𝑟𝑒𝑔𝑢𝑒 𝑝𝑒𝑙𝑜 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑓𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜𝑟 à 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎

• A potência drenada da fonte é 𝑃_𝑖𝑛 = 𝑉_𝐶𝐶𝐼_𝐶𝐶 • 𝐼_𝐶𝐶: corrente média drenada da fonte

CLASSES DE OPERAÇÃO

• As classes dos amplificadores indicam quanto o sinal de saída varia em um ciclo de operação para um ciclo completo do sinal de entrada.

• Modo como os transistores do estágio de saída operam na tentativa de se obter maior linearidade (menor distorção) e/ou melhor rendimento

• Classe A:

• o estágio de saída conduz por 360o _completos

• (um ciclo completo da forma de onda). • Polarizado no meio da reta de carga • Classe B:

• os estágios de saída conduzem por 180o _cada

• (juntos, oferecem um ciclo completo) • Polarizado no corte

• Classe AB

• Os estágios de saída conduzem entre 180o _{e 360}o _cada

• (oferecem um ciclo completo com menor eficiência) • Polarizado um pouco acima do corte

CLASSES DE OPERAÇÃO

• Classe C

• O estágio de saída conduz por menos de 180o

• (utilizado em circuitos sintonizados)

• Classe D

• Opera utilizando sinais digitais ou pulsados

• Operam modulando o sinal de entrada na forma de pulsos (PWM), controlando o

dispositivo eletrônico de saída (válvula ou transistor) através de dois níveis de tensão, os quais fazem com que o dispositivo conduza ou entre em corte

• Classe F

• Alta eficiência (idealmente 100%) e alta potência de saída. Usado principalmente para aplicações de RF e micro-ondas.

CLASSE A

• o estágio de saída conduz por um ciclo completo da forma de onda (360o) do sinal de entrada

• Baixa eficiência

• máxima varia de 25% a 50% dependendo do tipo de circuito.

• Linearidade maior que a de outras classes

• O ponto quiescente está disposto próximo à metade da reta de carga

• Em amplificadores de áudio:

• melhor qualidade de som sem distorção mas com um consumo de potência muito grande

• Gasta muita energia e seu preço é muito alto

• Eficiência: com polarização CC na metade do valor da tensão de

alimentação, utiliza muita potência para manter a polarização, mesmo sem nenhum sinal de entrada aplicado. Resultado: baixa eficiência,

principalmente com sinais pequenos na entrada, quando muito pouca potência CA é liberada para a carga.

CLASSE A

É necessário que o ponto Q seja polarizado em um valor que permita que pelo menos metade do sinal de saída varie para cima e para baixo sem atingir uma tensão suficientemente alta para ser

CLASSE A: Configurações

• Diferença entre pequenos sinais:

• Os sinais tratados pelo circuito para grandes sinais estão na faixa de volts, • o transistor utilizado é um transistor de potência que pode operar em uma

faixa de poucos watts até algumas dezenas de watts

• Seguidor de emissor:

• o transistor conduz corrente durante todo o ciclo • A tensão de saída é retirada do terminal emissor

• Conexão de carga direta ou realimentada em série

• Eficiência máxima de 25%

• Conexão com transformador para a carga

CLASSE B

• Fornece um sinal de saída que varia durante metade do ciclo da entrada (para 180o _{do sinal)}

• Alta eficiência

• Eficiência máxima de 78,5%

• Grande distorção

• Gera um sinal de saída muito distorcido, pois o sinal de entrada é reproduzido na

saída somente para 180o _{da oscilação do sinal de saída.}

• Em amplificadores de áudio:

• Sua amplificação gera grande distorção audível para pequenos sinais, mas para sinais de grande amplitude essa distorção é muito pequena quando comparada com a amplitude do sinal tornando a distorção menos perceptível.

CLASSE B: PUSH-PULL

• Push-pull: cada transistor permanece ligado durante cerca de metade do ciclo e a eficiência é alta

• Operação push-pull: são necessárias duas operações classe B: uma para fornecer saída durante o semiciclo positivo e outra para operar no semiciclo negativo de saída. A combinação dos semiciclos fornece, então, uma saída para os 360o completos de operação.

PUSH-PULL

• Seguidores de emissor npn e pnp

• O estágio push-pull simples funciona como um seguidor de emissor pnp ou npn para entradas suficientemente negativas ou positivas,

respectivamente, e permanece desligado para -600mV < V_in <+600mV • A zona morta resultante distorce o sinal de entrada de forma

significativa.

• V_out=V_in – V_BE1 , para entradas muito positivas • V_out=V_in+ |V_BE2 |, para entradas muito negativas

DISTORÇÃO POR CRUZAMENTO (CROSSOVER)

• Se os transistores Q₁ e Q₂ não ligam e desligam exatamente ao mesmo tempo, há uma lacuna na tensão de saída.

CLASSE AB

• Cada transistor permanece ligado durante mais de metade de um ciclo

• Equilíbrio entre linearidade e eficiência • Estágio push-pull modificado

• Em amplificadores de áudio:

• A maioria dos amplificadores comercializados são de classe AB, pois possui boa qualidade e bom rendimento utilizando componentes baratos, portanto, ótima relação custo benefício.

PUSH-PULL APRIMORADO

• Seguidores de emissor npn e pnp

• O estágio push-pull simples funciona como um seguidor de emissor pnp ou npn para entradas suficientemente negativas ou positivas, respectivamente, e

permanece desligado para -600mV < V_in <+600mV

• A zona morta resultante distorce o sinal de entrada de forma significativa. • V₁= V_out + V_BE1 , para Q₁ ligado

• V₂= V_out -|V_BE2 |, para Q₂ ligado • V_B=V₁-V₂ = V_BE1 +|V_BE2 |

• V_B deve ser aproximadamente igual a 2V_BE • V_in conectado em Q₂:

BIBLIOGRAFIA

• BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 11ª ed. São Paulo: Pearson Prentice-Hall do Brasil, 2005.

• SEDRA, A.S.; SMITH, K.C. Microeletrônica. 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron Books, 2000.

• MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 1. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008. • MALVINO, A,. BATES, D.J. Eletrônica. V. 2. São Paulo: Mcgraw Hill, 2008.