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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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Amplificadores de Potênciaou
Amplificadores de Grandes Sinais
Amauri OliveiraFevereiro de 2011
Universidade Federal da BahiaEscola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
UFBA
1
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Rendimento nos amplificadores de potência
Amplificador “Push-Pull” com par complementar
Par complementar
Para Q1 e Q2 polarizados em classe B
13
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
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
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
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
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
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
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
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.
Modelo térmico dos transistores
Condição de regime térmico e utilização de dissipador
22
Dados de dissipadores, exemplo: SERIE LPD (LPD.pdf)
Continuar exemplo com BD135
Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB
Polarização com diodos
23
Porque usar fonte de corrente ?
Polarização com multiplicador VBE
Porque usar circuito classe AB ?
Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB
Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”
24
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”
25
Distorção de 3ª harmônica !
Exemplo:
Exemplo de estágio de potência e “driver”
26
“driver”
Exemplo
Exemplos de amplificadores de potência
27
Amplificador de potência com componentes discretos (AN-1490)
Amplificador de potência em CI (TDA1521A_CNV_2)