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Amplificador de Potencia
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Eletrnica 3/Eletrnica Aplicada Amplificadores de Potncia
Prof. Mauro Sandro dos Reis ([email protected])
Ver 1, 15/05/14
CEFET/RJ - Centro Federal de Educao Tecnolgica Celso Suckow da Fonseca
DEPEL Departamento de Engenharia Eltrica
Amplificadores
Amplificadores de Sinal:
Linearidade;
Ganho;
Amplificadores de Potncia:
Eficincia;
Capacidade de potncia;
Impedncia de Sada;
Amplificadores de Potncia
So construdos com transistores de potncia;
Empregam dissipadores de calor;
So divididos em classes;
Podem apresentar distores no sinal de sada.
Classes de Amplificadores
Classe A; Classe B; Classe AB; Classe C; Classe D; Classe E; Classe F; Classe G; Classe H;
Amplificadores Classe A, B, AB, C e D Classe A Classe B
Classe C
Classe AB
Classe D
Amplificadores de Potncia Classe A
O transistor est operando com ponto Q no meio da reta de carga, e o sinal faz com que o ponto Q oscile na regio linear da curva do
transistor. Neste caso temos a reproduo de 360 do sinal.
Carga
Transistor de potncia
Amplitude da Fonte de Alimentao
Excurso de 360
do sinal de sada
Q
Ponto de operao
Amplificadores de Potncia Classe A
Polarizao dc fixada por e ,
Corrente no coletor sendo,
Tenso no coletor-emissor,
CC B
CC BEB
B
C B
CE CC C C
V R
V VI
R
I I
V V I R
Equivalente DC
QCI
QCEV
Onde:
Tenso de alimentao; Corrente do coletor;
Tenso base-emissor; Ganho dc;
Corrente de base; Tenso entre coletor e emissor;
Resistor d
CC C
BE
B CE
B
V I
V
I V
R
e polarizao; Carga;CR
Corrente de Polarizao
Amplificadores de Potncia Classe A
Ganho de Corrente Ganho de Tenso
Amplificadores de Potncia Classe A
Ganho de Corrente
Ganho de Tenso (negativo)
Tenses e correntes de entrada e sada no transistor
Amplificadores de Potncia Classe A Potncia de Sada
( )
( )
2
( )
2
( )
( )
( )
2
( )
Potncia fornecida pela fonte:
Potncia fornecida a carga ,
( ) ( )
( )
( )
para valores de pico,
( ) ( )
2
( )
2
Qi dc CC C
C
o ac CE C
o ac C C
Co ac
C
o ac
CE Co ac
Co ac C
P V I
R
P V rms I rms
P I rms R
V rmsP
R
P
V p I pP
I pP R
2
( )
( )
( )
2
( )
2
( )
( )
( )
( )
2
para valores de pico a pico,
( ) ( )
8
( )
8
( )
8
Eficincia,
% = 100%
Co ac
C
o ac
CE Co ac
Co ac C
Co ac
C
o ac
i dc
V pP
R
P
V pp I ppP
I ppP R
V ppP
R
P
P
Amplificadores de Potncia Classe A Potncia de Sada
( )
( )
2
2
% = 100%
8100% 25%
2
o ac
i dc
CC C
CC C
P
P
V R
V R
max
max
2
( )
Eficncia Mxima:
( ) , mxima oscilao
de tenso;
( ) , mxima corrente;
Mxima Potncia de Sada (mxima
oscilao de tenso):
8 8
Mxima Potncia de Entrada (c
CE CC
CCC
C
CC CC C CCo ac
C
V pp V
VI pp
R
V V R VP
R
max max
2
( )
orrente
de polarizao),
2 2
CC C CCi dc CC C CC
C
V R VP V I V
R
Amplificadores de Potncia Classe B
Trabalha com o ponto Q prximo do ponto de corte e conduz por meio ciclo, ou seja 180.
Eficincia: 78,5%
O Sinal est distorcido. Classe B
Sada
Amplificadores de Potncia Classe B: configurao Push-Pull
Circuito que amplifica o ciclo
positivo
Circuito que amplifica o ciclo
negativo
Carga
Amplificadores de Potncia Classe B: configurao Push-Pull
Circuito que amplifica o ciclo
positivo
Circuito que amplifica o ciclo
negativo
Carga
+
Circuito que amplifica o ciclo
positivo
Circuito que amplifica o ciclo
negativo
Carga
+
Configurao push-pull usando duas fontes de tenso.
Configurao push-pull usando uma fontes de tenso.
Amplificadores de Potncia Classe B: configurao Push-Pull
Circuito que amplifica o
ciclo positivo
Circuito que amplifica o
ciclo negativo
Carga
+
Configurao push-pull usando uma fontes de tenso.
C
B E
E
+VCC
NPN
PNP
C
B
Amplificadores de Potncia Classe B: configurao Push-Pull N
PN
PN
P
Amplificadores de Potncia Classe B: distoro de crossover
Circuito que amplifica o
ciclo positivo
Circuito que amplifica o
ciclo negativo
Carga
+
Configurao push-pull usando uma fontes de tenso.
C
B E
E
+VCC
NPN
PNP
C
B
crossover
Distoro de Crossover
O Transistor necessita de um pequeno sinal base-emissor para funcionar.
Q1 s entra em conduo quando Vin > 0,7V.
Q2 entra em conduo quando Vin< -0,7V.
Ento para, 0,7 > Vin > -0,7 no existe sinal na sada do amplificador.
A relao entre entrada e sada no completamente linear ao longo de todo sinal;
Distoro de Crossover: relao entre entrada e sada
vin
vout
+VBE
-VBE
+
Relao linear
Amplificadores de Potncia Classe B: distoro de crossover
C
B E
E
+VCC
NPN
PNP
C
B
+0,7 V
-0,7 V
(0,7 > Vin > -0,7)
Amplificadores de Potncia Classe B
Amplificadores de Potncia Classe B: configurao Push-Pull
( )
( )
( )
( )
( )
2
( )
Potncia de entrada dc ( ):
corrente mdia ,
2( ), onde ( ) a corrente
de pico, dessa forma fica:
2( )
A Potncia de Sada (ac),
(
i dc
i dc CC dc
dc
dc
i dc
i dc CC
o ac
Lo ac
P
P V I
I
I I p I p
P
P V I p
P
V rmsP
)
, onde a carga.LL
RR
( )
2 2
( )
( )
( )
( ) ( )2
( )
A Potncia de Sada (ac), para
tenses de pico ( ) e pico-a-pico ( )
( ) ( )
8 2
Eficincia,
% = 100%
( ) 2100%
2 ( )
( )2100%
L L
L CC
o ac
L Lo ac
L L
o ac
i dc
I p V p R
L L
CC
V p V
L
CC
P
p pp
V pp V pP
R R
P
P
V p R
V I p
V p
V
78,5%
Classe A v.s. Classe B
Amplificador Classe A Amplificador Classe B
Amplificadores de Potncia Classe B
O amplificador classe B apresenta uma eficincia maior que o amplificador da Classe A ;
Requer no mnimo dois transistores na etapa de sada;
Apresenta no-linearidades: distoro crossover;
Amplificadores de classe B so usados em projetos de baixo custo ou projetos em que a qualidade do som no to importante;
Amplificadores de Potncia Classe B
Amplificadores de classe B so significativamente mais eficiente do que amplificadores classe A;
Eles sofrem distoro quando o nvel do sinal baixo (a distoro na regio de operao chamada de "distoro de crossover");
Classe B usado na maioria das vezes em que necessria a economia de design;
Eliminao da distoro de crossover da configurao push-pull
Amplificadores Classe AB
Amplificadores Classe AB combinam os pontos positivos da classe A e B;
Eles apresentam eficincia semelhante ao amplificador da classe B e desempenho, em relao a distoro, muito mais prximo ao de uma Amplificador Classe A;
Amplificadores Classe AB:
O diodo compensa a queda de base-emissor dos transistores e produz operao classe AB.
Amplificador com configurao push-pull utilizando transformador de acoplamento
Transformador Separador de fase
Configurao push-pull, Simetria complementar
Transformador De sada
Circuito de Polarizao
Amplificadores Classe AB
O diodo compensa a queda de base-emissor dos transistores e produz operao classe AB.
Reta de carga para um amplificador de simetria complementar com configurao push-pull (reta de carga para o transistor npn).
Reta de carga CC Reta de carga AC
Ponto Q
Amplificadores Classe AB
O diodo compensa a queda de base-emissor dos transistores e produz operao classe AB.
Reta de carga para um amplificador de simetria complementar com configurao push-pull (reta de carga para o transistor npn).
Reta de carga Circuito
Reta de carga AC
Ponto Q
Amplificadores Classe AB
Amplificadores Classe AB utilizam pares de transistores levemente polarizados para que a distoro de crossover (associado com amplificadores Classe B) seja eliminada;
Amplificadores Classe C
Amplificadores Classe C nunca so usados para circuitos de udio.
Eles so geralmente utilizados em circuitos de RF.
Amplificadores Classe C operam o transistor de sada em um estado que resulta em grande distoro.
Amplificadores Classe C
Amplificadores Classe C: operao bsica
Circuito do Amplificador
Classe C
Tenso de entrada e corrente de
sada
O Transistor conduz
quando Vin excede VBB+VBE
Vin
Ic
Amplificadores Classe C: operao bsica
Vin
Ic
Ic
VCE
Forma de onda ideal Corrente no coletor
Amplificador Sintonizado Os amplificadores sintonizados so empregados quando desejamos
separar e amplificar uma faixa de freqncias de um sinal.
Seletividade
A seletividade do amplificador definida como sendo a razo entre a
freqncia de sintonia e a faixa onde o ganho cai 3dB (faixa de
passagem), ou meia potncia.
02 1
Q
Circuito RLC de Segunda Ordem
L R
VCC
Vo
C
Vbeq
Vin
Vo
RVin
CL
hie gmVin
Modelo AC
0
1
LC 0A gmR
2 1
1
RC 0 0
2 1 0
RQ RC
L
Amplificadores Classe C sintonizado
Ic
Forma de onda de sada Circuito Bsico
Amplificadores Classe C
Os circuitos de RF, onde so usados amplificadores de classe C, empregam filtros para que o sinal de sada seja adequado.
Amplificadores classe C so muito eficientes.
Amplificadores Classe D
Esta classe de amplificador tem como base a comutao dos interruptores ou amplificador PWM.
Neste tipo de amplificador os interruptores trabalham na regio de corte e saturao o que reduz significativamente as perdas de energia.
Eficincia entre 90-95%.
O sinal de entrada usado para modular um sinal de portadora (PWM), o qual, aciona os dispositivos de sada;
Na etapa de sada existe um filtro PB para eliminar a frequncia da portadora.
Amplificadores Classe D
Amplificadores Classe D: operao bsica
Estgio de potncia
FPB
Amplificadores Classe D: erros e no idealidades
Amplificadores Classe D: meia ponte e ponte completa
Amplificadores Classe D
Funcionamento do circuito de meia ponte; Chave Ideal TBJ; MOSFET;
Funcionamento do circuito de ponte; Chave Ideal TBJ; MOSFET;
Gate Driver; Fontes isoladas; Bootstrap;
Diodo de roda livre; Funo Tempo de recuperao do diodo;