Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica UFBA Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais Amauri Oliveira Fevereiro de 2011

Estágio Intermediário 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 sinal Estágio Inicial Estágio Intermediário Estágio Final Carga Fonte de alimentação “GND” Amplificador

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.

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.

Classes de operação e ponto de operação B AB C Classe A : V1=0,640; Classe B: V1 =0,55; Classe AB: V1=0,6; Classe C: V1=0,5; Classe D !.

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

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

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

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

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

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 ?

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 ?

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

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

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

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

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.

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.

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 vC va C Representação do sistema térmico do resistor usando analogia com o sistema elétrico

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

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.

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

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 ?

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

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

Exemplo de estágio de potência e “driver”

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