Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

1. Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica UFBA Amplificadores de PotênciaouAmplificadores de Grandes Sinais Amauri Oliveira Fevereiro de 2011

2. Fonte de sinal Fonte de alimentação Estágio Final Estágio Inicial Estágio Intermediário Carga “GND” Amplificador Características: • Estágio final de amplificação; • Amplificação de grandes sinais; • Transferência de potência para a carga; • Impedância de saída e ganho depende da carga.

3. 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.

4. 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: Para definir as classes de operação podemos usar o amplificador emissor comum Classe A; Classe B; Classe AB; Classe C; Classe D.

5. A AB C B 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 !.

6. VCC 12V R1 2.2kO A V2 Q1 27 mVpk BC547A V1 1kHz 0,64 V 0° Classes de operação e excursão do sinal Classe A : - V1=0,640, Ic=3mA; - Saída com excursão de 360°

7. VCC 12V R1 2.2kO V2 Q1 102 mVpk BC547A V1 1kHz 0,55 V 0° Classes de operação e excursão do sinal B • Classe B: • V1 =0,55 e Ic=0; • Saída com excursão de 180°

8. VCC 12V R1 2.2kO V2 Q1 67 mVpk BC547A V1 1kHz 0,6 V 0° AB Classes de operação e excursão do sinal • Classe AB: • V1=0,6V, Ic=0,92mA; • 180°<excursão<360°

9. VCC 12V R1 2.2kO V2 Q1 165 mVpk BC547A V1 1kHz 0,5 V 0° C Classes de operação e excursão do sinal • Classe C: • V1=0,5V, Ic=0; • Excursão do sinal < 180° • Aplicação em circuitos de comunicação !

10. Estágio Final Rendimento nos amplificadores de potência Fonte de alimentação Pi Po Carga Perdas por aquecimento de componentes Pi – Potência média fornecida pela fonte; Po – Potência média de sinal na carga. Rendimento

11. Rendimento nos amplificadores de potência Amplificador Classe A com Alimentação Série VCC RL vo Q1 Vo(p-p)MAX = VCC e Io(p-p)MAX = 2IQ Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ?

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

13. Rendimento nos amplificadores de potência Amplificador “Push-Pull” com par complementar Par complementar Para Q1 e Q2 polarizados em classe B

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

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

16. Rendimento, potência nos transistores e na carga Amplificador “Push-Pull” com par complementar Exemplo: RL = 8W e PoMAX=16W Determinar: VCC e PtMAX

17. 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.

18. 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.

19. Modelo térmico dos transistores Sistema elétrico análogo ao sistema térmico Sistemas análogos – sistemas com equações análogas Equação do sistema térmico análoga Grandezas Análogas: Representação do sistema térmico do resistor usando analogia com o sistema elétrico

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

21. Modelo térmico dos transistores Condição de regime térmico e utilização de dissipador 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.

22. Modelo térmico dos transistores Condição de regime térmico e utilização de dissipador Dados de dissipadores, exemplo: SERIE LPD (LPD.pdf) Continuar exemplo com BD135

23. 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 ?

24. Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull” Origem – tensão VB12 de polarização insuficiente Característica de Transferência

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

26. Exemplo de estágio de potência e “driver” Exemplo “driver”

27. Exemplos de amplificadores de potência Amplificador de potência com componentes discretos (AN-1490) Amplificador de potência em CI (TDA1521A_CNV_2)