Eletrônica (Amplificador Push-Pull)

Prof. Manoel Eusebio de Lima

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Amplificador classe B

•  Este tipo de configuração permite mais ganho do que um transistor poderia fornecer sozinho. Este amplificador "push-pull“ (seguidor de emissor push-pull) é usado onde a saída de alta potência e fidelidade são necessárias: estágios da saída do receptor, moduladores AM, etc.

•  Em geral possuem alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e alta eficiência.

•  Uma vantagem deste tipo de montagem é que “nenhuma potência” é dissipada nos transistores de saída quando não existe sinal sendo aplicado a entrada. (Amplificadores classe A requerem corrente considerável para polarização)

•  Estes amplificadores, denominados classe B, permitem que a corrente do coletor flua apenas por 180o do ciclo ca em cada transistor.

Amplificador classe B

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Analogia: Um bomba ligada a fonte e outra ao sumidouro

1. Quando uma bomba é acionada a outra é desativada

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Transistor off até Vin > +0,7

VBE

Transistor off até Vin < - 0,7 VBE

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Os transistores são apenas adequada- mente polarizados nas áreas em azul.

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Circuito Push-Pull

•  Quando um transistor opera na classe B, ele ceifa um semi-ciclo. Para evitar distorções no sinal de entrada dois transistores são usados em uma configuração push-pull. Isto quer dizer que um transistor conduz em um semi-ciclo e o outro no outro semi-ciclo.

•  Um problema neste tipo de circuito é a distorção do sinal de saída para entradas próximas de 0V. A fim de se evitar este problema (cross distortion), ambos os transistores deveriam estar “ligeiramente polarizados”, o que pode ser conseguido incluindo-se diodos (0,7V) ou resistores para uma prévia polarização.

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Push-Pull – Análise CC

Na polarização ICQ ≈ 0 ICQ

Como os diodos são iguais, a tensão nos diodos dos emissores são iguais

VCE = VCC/2

VCE = VCC/2

Polarizar ambos os transistores no corte, garantindo uma tensão entre base e emissor dos transistores entre 0,6 e 0,7V. Isto pode ser garantido com a inclusão dos dois diodos.

Polarizar por diodo também evita a deriva térmica, garantindo a polarização sem problemas dos transistores. O uso de resistores pode afetar o ponto de operação com a mudança de temperatura.

•  Polarização do circuito

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Amplificador Push-pull-circuito típico

Polarização dos transistores no corte

Seguidor de emissor npn

Seguidor de emissor pnp

Capacitor de desacoplamento Capacitor de desacoplamento

A tensão entre diodos é 2VBE, assim como a tensão no capacitor (ponto Q)

Resistência R 1)  Fornece corrente de base a Q1 e de polarização a D1 2)  Fornece corrente de base a Q2 e de polarização a D2

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Curva de carga (ponto Q)

•  Como não existe resistor para controlar a corrente nos coletores e emissores dos transistores, a corrente de carga é infinita (teoria), no comportamenteo DC. Isto que dizer que a reta de carga é vertical.

(VCC/2RL)

/2 Corrente máxima no coletor do transistor(ca)

Ica(máxima)

Vcc/2

Polarização classe B

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Professor: Jairo Bertini

iCQ

/2

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Polarização do amplificador Análise DC

2VBE

IC=(VCC-2VBE)/2R

Id= IC

2VBE

A corrente do coletor iguala-se a corrente do diodo.

Id ≅ IC, com Ib ≅ 0 mA

Como as curvas características dos diodos são iguais as curvas VBE dos transitores, a corrente dos diodos é aproximadamente igual a corrente do coletor no ponto Q. Considere na polarização que Ib <<Id .

≅1,4 V

Id Ic

A corrente de polarização é bem pequena(ver curva de carga 1 a 2 mA), daí pouca potência na polarização

I

≡

Id=Ic

IC=IE

Id Ib

Ib

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Análise CA

•  Quando Q1 conduz, Q2 corta e a tensão de saída é positiva. O capaciotr CL é carregado para 0.5 VCC.

Ic(max) = I0(max) = (Vcc/2)/RL

e a corrente de base é dada por: IB(max) = IC(max)/β

VBEQ1

Vo(max)

IB(max)

•  A resistência Rmax para garantir a corrente máxima na base pode ser dada aproximadamente por:

Rmax = [VCC - (0.5VCC+VBEQ1+Vo(max))]/IB(max)

Ic(max)

(max)

Ic(max)

Quando Q1 conduz, Q2 está em corte. A tensão de saída é positiva e o capacitor CLé carregado para 0.5 Vcc.

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Circuito equivalente (modelo CA)

r’e

Zin = R||R||(β+1)RL

Considerando R >> r’e

r’e

r’e

ie = ic+ib =β ib+ib = ib (β+1)

Zin(base) ≅ Vin /ib = ie(RL+r’e)/ ib =(β+1)ib(RL+r’e)/ ib =(β+1)(RL+r’e)

Considerando que RL >> r’e , Zin(base) = (β+1)RL

ie

ic

Ganho de tensão = Vo/Vin = ie.R L/ie(RL+r’e) = R L/(RL+r’e). Se R L >> r’e , Vo/Vin = R L/RL ,ou seja, o ganho de tensão (Vin ≅ Vout) é aproximadamente igual a 1.

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Eficiência

•  Potência média máxima teórica de “saída” pode ser dada por: P(max) = (I2(max).RL)/2=((Vcc

2/(22RL2)). RL)/2= Vcc

2/8RL

Considerando que a dissipação de potência sobre o circuito de polarização é nula. (Ic bem pequena) (DC)

Observe que: 1.  o transistor npn é ON (Q1)durante o ciclo positivo

da tensão de saída, carregando capacitor. 2.  Durante o ciclo negativo da tensão de saída, o

transistor pnp (Q2) está ON e o capacitor C o alimenta.“A potência alimentada pela fonte durante o meio-ciclo negativo é zero”

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Eficiência

•  Assim, a potência média máxima (potência de “entrada”) fornecida aos transistores pela fonte é dada, considerando apenas meio ciclo, por:

Pavg(max) = Imax.VCC/π = V2cc/2πRL

A eficiência máxima obtida pode ser dada por:

η = P(max) /Pavg(max) = π/4=0.7854 ou 78,54%

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Amplificadr Push-pull

•  Projetar um amplificador Push-Pull conforme figura abaixo de 2W de potência para um speaker de 8Ω sobre a freqüência de 20 a 20KHz. A fonte de alimentação DC é de 24V. Os transistores npn e pnp possuem β=100 e VBE=0,7V.

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Cálculo

1.  Valor efetivo (rms) da corrente no speaker: Io(rms)= (2/8)1/2 = 0,53A

2. Corrente de pico no speaker Io(max) = 21/2*0,53 = 0.758 A

3. Tensão de pico Vo(max)= Io(rms)*RL= 6.064V

4. Cálculo de IB(max)

IB(max)= Io(max) /(β+1) (corrente no emissor) IB(max)= Io(max) /(β+1) = 7.505 mA

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Polarização

5. Cálculo de R (resistência de polarização): R = [VCC - (0.5VCC+VBEQ1+Vo(max))]/IB(max) R = [12-0.7-6.064]V/7.505 mA = 697.67 Ω

R≈680 Ω

6. Corrente de polarização (corrente nos diodos) ID = (24-0.7-0.7)/2*680 = 16.618 mA

7. Corrente média no coletor:

IC(avg)= I0(max)/π = 0.758/π = 241.128mA

8. Corrente da fonte IS = ID + IC(avg) = 16.618 + 241.128 = 257.746 mA

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•  Potência da fonte PS = (24V)*(257.746mA)= 6.186 W

•  Capacitor (RL = carga do speaker = 8Ω)

CL = 1/2πfcRL= 1/2π*20*8 = 994.7 µF Consideremos CL = 1000 µF

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Circuito equivalente

Rin = R||R||(β+1)RL

Rin = R||R||(β+1)RL = 680||680||(8*101) = 239.3Ω

Vin(max) = Vo(max)=6.064V

Iin(max) = Vin(max)/Rin=6.064/239.3=25.341 mA Ganho em corrente = AI = Io(max)/Iin(max)=758mA/25.341mA = 29.9

Ganho em potência = 29.9

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Linha de carga ac em Q1

Q1 conduz durante ciclo positivo do sinal de entrada