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Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais Amauri Oliveira Fevereiro de 2011 Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica UFBA 1

Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

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Universidade Federal da Bahia Escola Politécnica Departamento de Engenharia Elétrica. UFBA. Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais. Amauri Oliveira Fevereiro de 2011. Fonte de sinal. Fonte de alimentação. Estágio Final. Estágio Inicial. Estágio Intermediário. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Amplificadores de Potênciaou

Amplificadores de Grandes Sinais

Amauri OliveiraFevereiro de 2011

Universidade Federal da BahiaEscola Politécnica

Departamento de Engenharia Elétrica

UFBA

1

Page 2: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

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

2

Page 3: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

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.

3

Page 4: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Classes de operação

Classe A;

Classe B;

Classe AB;

Classe C;

Classe D.

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

Q1

BC547A

VCC12V

V112 V

V2

0 Vpk 0kHz 0°

R12.2kΩ

4

Page 5: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Classes de operação e ponto de operação

Classe A : V1=0,640;

Classe B: V1 =0,55;

Classe AB: V1=0,6;

Classe C: V1=0,5;

Classe D !.

Q1

BC547A

VCC12V

V112 V

V2

0 Vpk 0kHz 0°

R12.2kΩ

A

BAB

C

5

Page 6: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Classes de operação e excursão do sinal

Classe A :

- V1=0,640, Ic=3mA;

- Saída com excursão de 360°

AQ1

BC547A

VCC

12V

V10,64 V

V2

27 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

6

Page 7: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Classes de operação e excursão do sinal

Classe B:

-V1 =0,55 e Ic=0;

-Saída com excursão de 180°

B

Q1

BC547A

VCC

12V

V10,55 V

V2

102 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

7

Page 8: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Classes de operação e excursão do sinal

Classe AB:

-V1=0,6V, Ic=0,92mA;

-180°<excursão<360°

AB

Q1

BC547A

VCC

12V

V10,6 V

V2

67 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

8

Page 9: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Classes de operação e excursão do sinal

Classe C:

-V1=0,5V, Ic=0;

-Excursão do sinal < 180°

-Aplicação em circuitos de comunicação !

C

Q1

BC547A

VCC

12V

V10,5 V

V2

165 mVpk 1kHz 0°

R12.2kO

9

Page 10: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento nos amplificadores de potência

Estágio Final

Carga

Fonte de alimentação

Pi

Po

Perdas por aquecimento de componentes

PerdasPP oi

i

o

P

P

Pi – Potência média fornecida pela fonte;

Po – Potência média de sinal na carga.

Rendimento

10

Page 11: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador Classe A com Alimentação Série

Q1

VCC

RL

vo

)(DCLoti PPPP

QCCi IVP

8)()( ppoppo

o

IVP

QCC

ppoppo

i

o

IV

IV

P

P

8)()(

25,0MAX Vo(p-p)MAX = VCC e Io(p-p)MAX = 2IQ

Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ? 11

Page 12: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador Classe A com Transformador

)(DCLoti PPPP

QCCi IVP

8)()( ppoppo

o

IVP

QCC

ppoppo

i

o

IV

IV

P

P

8)()(

5,0MAX Vo(p-p)MAX = 2VCC e Io(p-p)MAX = 2IQ

Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ? 12

Page 13: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

Par complementar

Para Q1 e Q2 polarizados em classe B

13

Page 14: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento nos amplificadores de potência

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

)(DCLoti PPPP

/2 opCCi IVP

2opop

o

IVP CC

op

i

o

V

V

P

P

4

7854,04

MAX

VopMAX = VCC

14

Page 15: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento, potência nos transistores e na carga

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

oti PPP oit PPP

/2 opCCi IVP

2opop

o

IVP L

opCC

L

opt R

VV

R

VP

2

2 2

0o

ttMAX dV

dPP

CC

op

VV

2

Nesta Condição:

L

CCot R

VPP

2

2)(2

5,0

15

Page 16: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Rendimento, potência nos transistores e na carga

Amplificador “Push-Pull” com par complementar

L

opo R

VP

2

2

L

opCC

L

opt R

VV

R

VP

2

2 2

Exemplo:RL = 8 e PoMAX=16W

Determinar: VCC e PtMAX

16

Page 17: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

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.

17

Page 18: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Modelo térmico dos transistores

Representação da primeira lei da termodinâmica (conservação de energia)

Exemplo: Potência (energia por unidade de tempo) em um resistor aquecido por efeito Joule.

adi eee

Energia recebida = energia dissipada + energia acumulada

dt

dTCTTGPiv R

thaRthe 18

Page 19: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Modelo térmico dos transistores

Sistema elétrico análogo ao sistema térmico

dt

dTCTTGP R

thaRthe

Sistemas análogos – sistemas com equações análogas

cr iii dt

dvCvvGi C

aC

Equação do sistema térmico análoga

Sistema térmico Pe Gth TR Ta CthSistema elétrico I G vC va C

Grandezas Análogas:

Representação do sistema térmico do resistor usando analogia com o sistema elétrico

19

Page 20: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Modelo térmico dos transistores

Equações térmicas para um transistor

dt

dTCTTGP j

jthmbjmbjthe

dt

dTCTTGTTG mb

mbthambambthjmbmbjth 0

Representação usando analogia com sistema elétrico

ouModelo Térmico

Simplificação na condição de regime !20

Page 21: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Modelo térmico dos transistores

Condição de regime térmico e utilização de dissipador

aajtheaambthmbjthej TRPTRRPT

21

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.

dissipador

Rth mb-a também pode ser diminuída utilizando uma ventoinha.

Page 22: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Modelo térmico dos transistores

Condição de regime térmico e utilização de dissipador

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Dados de dissipadores, exemplo: SERIE LPD (LPD.pdf)

Continuar exemplo com BD135

Page 23: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB

Polarização com diodos

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Porque usar fonte de corrente ?

Polarização com multiplicador VBE

Porque usar circuito classe AB ?

Page 24: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB

Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”

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Origem – tensão VB12 de polarização insuficiente

Característica de

Transferência

Page 25: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB

Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”

25

Distorção de 3ª harmônica !

Exemplo:

Page 26: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Exemplo de estágio de potência e “driver”

26

“driver”

Exemplo

Page 27: Amplificadores de Potência ou Amplificadores de Grandes Sinais

Exemplos de amplificadores de potência

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Amplificador de potência com componentes discretos (AN-1490)

Amplificador de potência em CI (TDA1521A_CNV_2)