amplificadores de potencia-2

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


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


Ganho de Corrente Ganho de Tenso


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


negativo

Carga



positivo


negativo

Carga

+


positivo


negativo

Carga

+

Configurao push-pull usando duas fontes de tenso.

Configurao push-pull usando uma fontes de tenso.


Circuito que amplifica o

ciclo positivo


ciclo negativo

Carga

+


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


ciclo positivo


ciclo negativo

Carga

+


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)


( )

( )

( )

( )

( )

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


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 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



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



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 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: 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


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: operao bsica

Estgio de potncia

FPB

Amplificadores Classe D: erros e no idealidades

Amplificadores Classe D: meia ponte e ponte completa


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;

amplificadores de potencia-2

Documents