ESTÁGIOS DE SAÍDA FUNDAMENTOS 2 h

CLASSES DE ESTÁGIOS DE SAÍDA Os estágios de saída trabalham com grandes amplitudes e grandes correntes. O modelo de pequenos sinais não é mais válido, ainda assim a linearidade é um requisito importante. Na figura a seguir são mostradas 4 classes de estágios de saída.

CLASSES DE ESTÁGIOS DE SAÍDA: A, B, AB, C

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Na figura a seguir é mostrada um estágio de saída classe A. A tensão de saída é dada por: vO=vI-vBE1 A máxima tensão de saída é dada por: vOmax=VCC-VCE1sat O transistor Q2 puxa uma corrente constante I, assim: iE1=I+iL

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Se iL for muito negativa, Q1 irá cortar. Portanto, a mínima tensão de saída é dada pelo corte de Q1, ou pela saturação de Q2: vOmin=-IRL vOmin=-VCC+VCE2sat Escolhendo I(VCC-VCE2sat)/RL, a tensão mínima se dá pela saturação de Q2. A próxima figura ilustra a função de transferência do seguidor de emissor.

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Colocando uma onda senoidal na entrada, temos que a tensão senoidal de saída será dada por: vO=VCCsin(2fot) com VCC>>VCEsat Por outro lado, a tensão vCE1=VCC-vO será dada por: vCE1=VCC[1-sin(2fot)] Supondo que I=VCC/RL, temos que a corrente de coletor é dada por: iC1=I [1+sin(2fot)]

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Portanto a potência dissipada em Q1: pD1=vCE1iC1=VCCI [1-sin2(2fot)] cujo valor de pico é VCCI, que é igual à dissipação sem sinal. O rendimento de conversão de potência é definido como: =PL/PVCC onde PL é a potência entregue à carga, e PVCC é a potência retirada das fontes de alimentação.

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A A potência entregue à carga é dada por: PL=VO2/(2RL) onde VO é o valor de pico da tensão senoidal de saída. A corrente média em Q1 é igual a I, e a corrente em Q2 é constante e também igual a I, portanto a potência retirada das fontes de alimentação é igual a: PVCC=2VCCI

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A O rendimento de conversão de potência é dado por: =(1/4)(VO/RLI)(VO/VCC) Para VO=VCC e VO=RLI, o rendimento máximo é igual a: =1/4=25 % Devido ao baixo rendimento, estágios de saída classe A são pouco usados em alta potência.

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B A próxima figura ilustra a conexão de um transistor NPN e um PNP formando uma configuração denominada “push-pull”, ou seja, enquanto um transistor empurra corrente, o outro puxa.

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B Na figura a seguir é ilustrada a função de transferência entre saída e entrada. Para vI>0 V, tanto QN, quanto QP estarão cortados e a saída vO=0 V. Para vI>0,5 V, vO=vI-vBEN, com QP cortado. Para vI<-0,5 V, vO=vI+vBEN, com QN cortado Na região –0,5<vI<0,5 V, temos distorção por cruzamento, conforme mostra a próxima figura.

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B A potência entregue à carga é dada por: PL=VO2/(2RL) A corrente drenada da fonte de alimentação consiste de semiciclos com valor de pico VO/RL, portanto o valor médio da corrente é VO/(RL), que dá uma potência total retirada das fontes de alimentação é igual a: PVCC=2VCCVO/(RL)

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B Portanto a eficiência é dada por: =(/4)(VO/VCC) Para VO=VCC, temos que =/4=78,5 % A potência total dissipada é dada por: PD=PVCC-PL E portanto, PD=2VCCVO/(RL)-VO2/(2RL) onde metade é dissipada em QN e QP.

ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B Derivando PD em relação a VO, temos que a tensão de saída que causa máxima dissipação é dada por: VO=2VCC/ Portanto: PDmax=2VCC2/(2RL) Na máxima dissipação, a eficiência é de =50%

EXEMPLO 9.1 Projete um estágio de saída classe B, para fornecer uma potência média de 20 W para uma carga RL=8 . A fonte de alimentação deve ser escolhida, tal que VCC=VO+5 V. Determine o valor da fonte de alimentação. A corrente de pico drenada da fonte de alimentação. A potência total fornecida pela fonte. O rendimento de conversão de potência. A potência de dissipação máx. de cada transistor.

EXEMPLO 9.1 A partir da potência na carga, temos: VO=(2PLRL)=(2208)=17,9 V Portanto, VCC=23 V A corrente de pico drenada da fonte é igual: IOpico=VO/RL=17,9/8=2,24 A A potência fornecida por cada fonte: PVCC=VCCVO/(RL)=232,24/=16,4 W

EXEMPLO 9.1 O rendimento é dado por: =20/(216,4)=0,61 A dissipação de potência em cada transistor é dada por: PDmax=VCC2/(2RL)=232/(82)=6,7 W

RESISTÊNCIA TÉRMICA Um transistor de potência não pode nunca ter a sua temperatura de junção máxima excedida, ou seja: TJTJmax Além disso, temos que: TJ-TA=JAPD onde TA é a temperatura do meio ambiente, PD é a potência dissipada pelo transistor e JA é a resistência térmica do dispositivo medida em C/W.

EXEMPLO 9.4 Um TBJ é especificado para dissipação de potência máxima de PDOmax=2 W na temperatura ambiente de TA=25 C e a uma temperatura de junção de TJ=150 C. Calcule a resistência térmica. A máxima potência de dissipação a uma temperatura TA=50 C. A temperatura de junção, se o dispositivo estiver operando com TA=25 C e dissipando 1 W.

EXEMPLO 9.4 A resistência térmica é dada por: JA=(TJ-TA)/PD=(150-25)/2=62,5 C/W A máxima potência de dissipação é obtida de: PDmax=(TJmax-TA)/JA=(150-50)/62,5=1,6 W A temperatura de junção é dada por: TJ=TA+JAPD=25+62,51=87,5 C

DISSIPADOR DE CALOR A resistência térmica entre a junção e o ambiente é dada pela associação série de: JA=JC+CA onde JC é a resistência térmica entre a junção e o encapsulamento (“case”) do transistor, e CA é a resistência térmica entre o encapsulamento e o ambiente. Enquanto JC depende somente do encapsulamento do dispositivo, CA pode ser diminuído pela colocação de um dissipador externo.