UFBA Universidade Federal da Bahia Escola Politcnica Departamento

UFBA Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais Amauri Oliveira Fevereiro de 2011 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 alimentação Fonte de sinal Estágio Inicial Estágio Intermediário Estágio Final Carga “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 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: Classe A; Para definir as classes de operação podemos usar o amplificador emissor comum Classe B; Classe AB; Classe C; Classe D. 4

Classes de operação e ponto de operação A AB C B Classe A : V 1=0, 640; Classe B: V 1 =0, 55; Classe AB: V 1=0, 6; Classe C: V 1=0, 5; Classe D !. 5

Classes de operação e excursão do sinal VCC 12 V R 1 2. 2 k. O V 2 V 1 0, 64 V 27 m. Vpk 1 k. Hz 0° Q 1 A BC 547 A Classe A : - V 1=0, 640, Ic=3 m. A; - Saída com excursão de 360° 6

Classes de operação e excursão do sinal VCC 12 V R 1 2. 2 k. O V 2 V 1 0, 55 V 102 m. Vpk 1 k. Hz 0° Q 1 BC 547 A B Classe B: -V 1 =0, 55 e Ic=0; -Saída com excursão de 180° 7

Classes de operação e excursão do sinal VCC 12 V R 1 2. 2 k. O V 2 V 1 0, 6 V 67 m. Vpk 1 k. Hz 0° Q 1 BC 547 A AB Classe AB: -V 1=0, 6 V, Ic=0, 92 m. A; -180°<excursão<360° 8

Classes de operação e excursão do sinal VCC 12 V R 1 2. 2 k. O V 2 V 1 0, 5 V 165 m. Vpk 1 k. Hz 0° Q 1 BC 547 A C Classe C: -V 1=0, 5 V, Ic=0; -Excursão do sinal < 180° -Aplicação em circuitos de comunicação ! 9

Rendimento nos amplificadores de potência Fonte de alimentação Pi Estágio Final Po Carga Perdas por aquecimento de componentes 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 VCC RL Q 1 vo Vo(p-p)MAX = VCC e Io(p-p)MAX = 2 IQ Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ? 11

Rendimento nos amplificadores de potência Amplificador Classe A com Transformador Vo(p-p)MAX = 2 VCC e Io(p-p)MAX = 2 IQ Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ? 12

Rendimento nos amplificadores de potência Amplificador “Push-Pull” com par complementar Para Q 1 e Q 2 polarizados em classe B 13

Rendimento nos amplificadores de potência Amplificador “Push-Pull” com par complementar Vop. MAX = VCC 14

Rendimento, potência nos transistores e na carga Amplificador “Push-Pull” com par complementar Nesta Condição: 15

Rendimento, potência nos transistores e na carga Amplificador “Push-Pull” com par complementar Exemplo: RL = 8 W e Po. MAX=16 W Determinar: VCC e Pt. MAX 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: BD 135 (BD 139 -16. pdf) Aplicar a exemplo anterior, e verificar se um BD 135 pode ser utilizado. 17

Modelo térmico dos transistores Representação da primeira lei da termodinâmica (conservação de energia) Energia recebida = energia dissipada + energia acumulada Exemplo: Potência (energia por unidade de tempo) em um resistor aquecido por efeito Joule. 18

Modelo térmico dos transistores Sistema elétrico análogo ao sistema térmico Sistemas análogos – sistemas com equações análogas Equação do sistema térmico análoga Grandezas Análogas: Sistema térmico Pe Gth TR Ta Cth Sistema elétrico I G v. C va C Representação do sistema térmico do resistor usando analogia com o sistema elétrico 19

Modelo térmico dos transistores Equações térmicas para um transistor Representação usando analogia com sistema elétrico ou Modelo Térmico 20 Simplificação na condição de regime !

Modelo térmico dos transistores Condição de regime térmico e utilização de dissipador 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. Rth mb-a também pode ser diminuída utilizando uma ventoinha. 21

Modelo térmico dos transistores Condição de regime térmico e utilização de dissipador Dados de dissipadores, exemplo: SERIE LPD (LPD. pdf) Continuar exemplo com BD 135 22

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB Polarização com diodos Polarização com multiplicador VBE Porque usar fonte de corrente ? Porque usar circuito classe AB ? 23

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull” Origem – tensão VB 12 de polarização insuficiente Característica de Transferência 24

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull” Distorção de 3ª harmônica ! Exemplo: 25