3

1 INTRODUÇÃO

Um amplificador recebe um sinal de algum transdutor ou de outra fonte de entrada

e fornece uma versão maior desse sinal para um dispositivo de saída ou para outro estágio

amplificador. Um sinal de um transdutor na entrada em geral é pequeno (alguns milivolts de

um tape-deck ou CD, ou alguns microvolts de uma antena) e precisa ser suficientemente

amplificado para acionar um dispositivo de saída (alto-falante ou qualquer outro dispositivo

de potência). Em amplificadores de pequenos sinais, os fatores principais geralmente são a

linearidade na amplificação e a amplitude de ganho. Uma vez que os sinais de tensão e

corrente são pequenos em um amplificador de pequenos sinais, a capacidade de fornecimento

de potência e a eficácia têm pouca importância. Um amplificador de tensão fornece

amplificação principalmente para aumentar a tensão do sinal de entrada. Por outro lado,

amplificadores de grandes sinais ou de potência fornecem principalmente potência suficiente

para uma carga de saída para acionar um alto-falante ou outro dispositivo de potência,

normalmente na faixa de alguns watts a dezenas de watts.

Um método utilizado para classificar amplificadores é o de “classes”. Classes de

amplificadores basicamente indicam quanto o sinal de saída varia, sobre um ciclo de

operação, para um ciclo completo do sinal de entrada. Os amplificadores de potência de um

modo geral podem ser divididos em cinco classes:

Classe A;

Classe B;

Classe AB;

Classe C;

Classe D.

No amplificador Classe A, o sinal de saída varia por um ciclo completo de 360º.

A Figura 01 mostra que para isso é necessário que o ponto Q seja polarizado em um nível que

permita que o sinal varie para cima e para baixo sem atingir uma tensão suficiente para ser

restringida pelo valor da fonte de tensão ou desça a um ponto suficientemente baixo para

atingir o valor inferior da fonte, ou 0 V.

4

Figura 01 – Amplificador Classe A

Nos amplificadores Classe B, um circuito fornece um sinal de saída que varia

sobre metade do ciclo de entrada, ou por 180º de sinal, Figura 02. Portanto, o ponto de

polarização DC está em 0 V, e a saída varia, então, a partir desse ponto, durante meio ciclo,

obviamente, a saída não é uma reprodução fiel da entrada se apenas meio ciclo está presente.

São necessários dois amplificadores Classe B – um para fornecer saída durante o semiciclo

positivo e outro para operar no semiciclo de saída negativo. A combinação dos semiciclos

fornece então uma saída para os 360º completos de operação. Esse tipo de conexão realiza a

operação chamada de push-pull. A operação Classe B por si só gera um sinal de saída muito

distorcido, pois o sinal de entrada é reproduzido na saída somente para 180º da oscilação do

sinal de saída.

5

Figura 02 – Amplificador Classe B

Na Classe AB, um amplificador pode ser polarizado em um valor DC acima do

valor correspondente à corrente zero de base da Classe B e acima da metade do valor da fonte

de tensão da Classe A. Essa condição de polarização é empregada em amplificadores Classe

AB. A operação Classe AB requer ainda uma conexão push-pull para atingir um ciclo de

saída completo, porém o valor e polarização DC geralmente estão muito próximos do valor

zero de corrente de base para uma melhor eficácia de potência. Para a operação Classe AB, a

oscilação do sinal de saída ocorre entre 180º e 360º e não é uma operação Classe A nem

Classe B.

A saída de um amplificador Classe C é polarizada para uma operação em menos

de 180º do ciclo e opera apenas com circuitos sintonizados (ressonantes), os quais fornecem

um ciclo completo de operação para a freqüência sintonizada ou ressonante. Portanto, essa

classe de operação é utilizada em amplificações especiais de circuitos sintonizados, como os

de rádio ou de comunicações.

Amplificadores Classe D é uma forma de amplificação para sinais pulsados

(digitais), que permanecem ligados por um curto intervalo de tempo e desligados durante um

longo intervalo. A utilização de técnicas digitais possibilita a obtenção de um sinal que varia

sobre um ciclo completo (utilizando circuitos de amostragem e retenção) para recriar a saída a

partir de vários trechos do sinal de entrada. A principal vantagem da operação Classe D é que

o amplificador está ligado durante curtos intervalos, e a eficiência global pode, na prática, ser

muito alta.

Muitos parâmetros foram definidos para caracterização dos amplificadores, cujos

principais são: o ganho de tensão (ou corrente); a freqüência de corte; a potência de saída, o

slew-rate; a distorção harmônica total (THD); a distorção por intermodulação e a eficiência. O

parâmetro mais utilizado para compreender melhor as diferenças entre os amplificadores é

comparar o grau de eficiência de potência entre as várias classes. A eficiência de potência,

definida como a razão entre a potência de saída e a de entrada, melhora da Classe A para a

Classe D. Em termos gerais, o amplificador Classe A, com polarização DC na metade do

valor da fonte de tensão, utiliza muita potência para manter a polarização mesmo sem nenhum

sinal de entrada aplicado. O resultado é uma baixa eficiência, principalmente com sinais

pequenos de entrada, quando pouca potência CA é liberada para a carga. Na verdade, a

eficiência máxima de um circuito Classe A, que ocorre para a maior oscilação de tensão e

corrente de saída, é de somente 25% para uma conexão de carga direta ou realimentada em

série, e 50% para uma conexão utilizando indutores e capacitores. É possível mostrar que a

6

operação Classe B, sem nenhuma potência de polarização DC para o caso de ausência de sinal

de entrada, fornece uma eficiência máxima que chega a 78,5%. A operação Classe D pode

obter uma eficiência de potência maior que 90% e fornece a operação mais eficiente de todas

as classes de operação. A Classe C geralmente não é utilizada para transferir grandes

quantidades de potência, portanto não foi possível medir a sua eficiência. Como a Classe AB

situa-se entre a Classe A e B, em termos de polarização ela mantém sua eficiência entre 25%

(ou 50%) e 78,5%. A Tabela 01 fornece uma comparação relativa da operação do ciclo de

saída e eficiência de potência para os diversos tipos de classes.

COMPARAÇÃO DE CLASSES DE AMPLIFICADORESClasses A AB B C DCiclo de

Operação360º 180 a 360º 180º Menor que 180º

Operação por pulso

Eficiência de Potência

25% a 50%Entre 25% (50%) e

78,5%78,5% ––

Normalmente acima de 90%

Tabela 01

2 CARACTERÍSTICAS E OPERAÇÃO

2.1 Amplificador Classe A

Tomando como exemplo o circuito da Figura 03, onde Vin(t) é uma fonte

senoidal. A classe de operação depende da região de trabalho do transistor.

7

Figura 03 – Amplificador de Tensão

Quando o transistor está sempre na região ativa, o amplificador opera em Classe

A e a corrente de coletor comporta-se como na Figura 04.

Figura 04 – Operação em Classe A

2.1.1 Eficiência do Amplificador em Classe A

Sabemos que:

(Eq.01)

e podendo considerar que a tensão de saída é, de forma geral, dada por:

(Eq. 02)

A corrente que circula pela fonte de tensão é a mesma do coletor, e pode ser calculada por:

(Eq. 03)

8

e a potência instantânea entregue pela fonte é:

(Eq. 04)

Podemos calcular a potência média pelo valor médio da Equação 04, ou seja:

(Eq. 05)

A potência instantânea entregue à carga RL é dada por:

(Eq. 06)

e cujo valor médio é

(Eq. 07)

Da Equação 07, nota-se que a parcela de potência relacionada ao sinal de entrada

(por exemplo, o som) é e, portanto, podemos considerar que efetivamente a potência

média útil na carga é:

(Eq. 08)

Considerando também que o circuito opera com excursão de saída simétrica e

máxima amplitude de sinal. Desta forma, temos que a tensão máxima de saída é e a

mínima é , ou seja:

(Eq. 09)

Pela solução do sistema de Equações 09, obtêm-se

(Eq. 10)

Substituindo a Equação 10 nas Equações 05 e 08, obtêm-se:

(Eq. 11)

Finalmente, temos para a eficiência máxima teórica do amplificador Classe A a

expressão:

9

(Eq. 12)

Quando é suficientemente pequeno para ser desprezado, a Equação 12

reduz-se a . Isto significa que somente 25% da potência entregue pela fonte é

considerada útil. Se fossemos projetar um amplificador de áudio para 100 W de saída,

desperdiçaríamos 300 W sob forma de calor no transistor. Uma forma alternativa de

implementação de um amplificador Classe A com eficiência superior pode ser vista na Figura

05. O indutor L1 e o capacitor C1 são suficientemente elevados para que nas freqüências de

trabalho L1 seja um circuito aberto e C1 um curto-circuito. A tensão DC armazenada no

capacitor é VCC, pois o indutor não oferece resistência à passagem da corrente contínua.

Temos então que a tensão de saída no coletor VC(t) está deslocada de VCC em relação Vo(t).

Assumindo que VCEsat seja zero, VC(t) pode ser no mínimo zero, obrigando uma excursão de

sinal negativo igual a VCC. Portanto, para excursão de sinal simétrica, devemos ter:

(Eq.13)

Com o máximo de tensão na saída, o transistor está cortado e toda corrente que

passa pelo indutor é direcionada para a carga. Sabemos que o indutor, neste caso, funciona

como fonte de corrente, e sua corrente é a própria VCq. Portanto, temos que:

(Eq. 14)

Utilizando as Equações 13 e 14, podemos calcular as potências médias entregue

pela fonte e a consumida pela carga, ou seja:

(Eq. 15)

(Eq. 16)

A eficiência é obtida das Equações 15 e 16, ou seja:

(Eq. 17)

Este valor é consideravelmente melhor que o anterior, mas a implementação do

indutor não é prática. Este circuito dificilmente é usado para grandes potências de saída.

10

Figura 05 – Amplificador Classe A com Indutor

Um fato interessante que podemos observar é que a tensão no coletor VC(t) pode

ser mais elevada que a da fonte. Isto é possível, pois o indutor atua como fonte de corrente e

acumula energia.

2.2 Amplificador Classe B

Considere o seguidor de emissor da Figura 06. O transistor não possui

polarização DC, estando a base conectada diretamente à fonte. Somente quando Vin(t) exceder

a tensão de junção VBE, haverá corrente de coletor e tensão de saída, conforme a Figura 07.

Figura 06 – Amplificador Classe B

11

Figura 07 – Corrente e Tensão na Carga dão Amplificador Classe B

Podemos observar que somente o ciclo positivo do sinal de entrada é aplicado à

carga, e também com desconto de VBE. A queda de VBE pode ser compensada com o circuito da

Figura 08.

Figura 08 – Amplificador Classe B com Compensação para VBE

2.2.1 Eficiência do Amplificador em Classe B

Podemos calcular a potência média da fonte e da carga considerando que a

corrente de coletor é a mesma que circula por RL. Desta forma, temos que:

(Eq. 18)

(Eq. 19)

De posse das Equações 18 e 19 obtemos a eficiência:

12

(Eq. 20)

Considerando o caso ideal, onde a tensão de pico na saída pode chegar a VCC,

temos para eficiência máxima teórica do amplificador Classe B:

(Eq. 21)

Entretanto, devemos considerar a possibilidade de Vm < VCC, devido ao VCEsat e a

outros fatores.

Ao contrário dos amplificadores Classe A, no Classe B a potência dissipada pela

fonte é dependente do nível máximo da saída. É interessante observarmos que a potência

média dissipada PQ no transistor é dada pela Equação 22, e cujo gráfico é o da Figura 09.

(Eq. 22)

Derivando a Equação 22 em relação a Vm e igualando a zero, concluímos que a

potência máxima dissipada no transistor ocorre para e com valor dado pela

Equação 23.

(Eq. 23)

2.3 Amplificador Classe AB

O amplificador Classe B deve ser compensado para queda de VBE. Isto é feito

simplesmente colocando uma fonte DC de valor VBE na base do transistor. Entretanto, cada

transistor possui um VBE ligeiramente diferente e que varia com a temperatura. Torna-se difícil

fazer esta compensação com exatidão. Normalmente, aplicamos uma fonte de tensão na base,

ligeiramente maior que VBE, para estabelecer uma pequena corrente de polarização no

transistor. Esta corrente não é suficiente para colocá-lo em Classe A, mas garante a

compensação de VBE. Este tipo de operação é chamado Classe AB, ou amplificadores push-

pull. Os amplificadores push-pull são compostos por dois circuitos Classe B em oposição de

fase. Enquanto um amplificador conduz no ciclo positivo, o outro o faz no ciclo negativo. Isto

ajuda a reduzir drasticamente a THD.

A configuração mais empregada atualmente é o estágio de saída com par

complementar, que utiliza transistores NPN e PNP, conforme a Figura 09.

13

Figura 09 – Estágio de Saída em Push-Pull

A configuração da Figura 09 emprega duas fontes simétricas. Entretanto,

podemos implementar o circuito com fonte unipolar, ao custo de um capacitor de

desacoplamento a mais, conforme a Figura 10. O capacitor C é calculado pela Equação 24,

segundo a especificação de freqüência de corte inferior fCI, onde ro é uma estimativa da

resistência de saída dos transistores. Normalmente, ro é desprezado.

(Eq. 24)

Figura 10 – Estágio de Saída em Push-Pull, com Fonte Unipolar

2.4 Amplificador Classe C

Os amplificadores em Classe C são empregados nos estágios de saída de potência

dos circuitos de rádio freqüência (RF), devido à sua elevada eficiência. A Figura 11(a)

representa um circuito básico, onde podemos observar que a base do transistor Q está

14

polarizada com uma queda de tensão negativa . Desta forma, só haverá corrente no

coletor quando a tensão de entrada ultrapassar , definindo um ângulo de

condução menor que 180º, conforme observado na Figura 11(b). Ajustando o nível de ,

podemos controlar o ângulo de condução.

É importante observar que a forma de onda de corrente de coletor é extremamente

distorcida, possuindo uma composição harmônica muito extensa. Isso provoca a repetição do

sinal ao longo da freqüência, conforme a Figura 12. Isto não é conveniente, pois a carga do

amplificador em Classe C é sintonizada e adequadamente projetada para eliminar as imagens

do sinal. É importante que a largura de banda do sinal seja limitada a um valor para o qual não

haja sobreposição de espectro.

Esse tipo de amplificador é usado para sinais de banda estreita, normalmente

sinais modulados em amplitude (AM) ou freqüência (FM), onde a energia encontra-se em

torno de uma freqüência portadora .

Figura 11 – Amplificador Classe C: a) Circuito Básico e b) Forma de Onda

15

Figura 12 – Composição Espectral do Sinal de Saída

2.4.1 Eficiência do Amplificador em Classe C

Para o cálculo de eficiência, considera-se o sinal de entrada senoidal e um ângulo

de condução para o transistor, de forma que a corrente de coletor comporta-se como o

gráfico da Figura 13. Podemos verificar que a corrente, observada em um ciclo de repetição,

é positiva somente no intervalo e zero para e . A parte

negativa do gráfico serve somente para facilitar a visualização da forma de onda de corrente.

A corrente do coletor é descrita pela Equação:

(Eq. 25)

onde:

(Eq. 26)

(Eq. 27)

16

Figura 13 – Corrente de Coletor no Amplificador Classe C

Representando em série de Fourier, e lembrando que para funções pares

existem somente os termos em cosseno, temos:

(Eq. 28)

onde:

(Eq. 29)

Sendo a carga sintonizada em , e com seletividade elevada, podemos

considerar que a tensão AC no coletor depende somente da impedância e da componente de

em , ou seja:

(Eq. 30)

Portanto, necessita-se somente dos termos e do sistema de Equação 29, ou

seja:

17

(Eq. 31)

e

(Eq. 32)

A Equação 32 obriga que a tensão AC no coletor seja, em primeira análise,

puramente senoidal e com amplitude máxima igual a , conforme a Figura14:

Figura 14 – Excursão Máxima de Sinal no Coletor

A potência média fornecida pela fonte ao circuito é:

(Eq. 33)

Chamando a componente AC da corrente de coletor, ou seja:

(Eq. 34)

A potência média que o circuito entrega à carga, na freqüência , é:

(Eq. 35)

onde é a resistência refletida para o primário do transformador.

Concluímos facilmente que a amplitude da tensão AC no coletor é dada por:

(Eq. 36)

18

Aplicando as Equações 36 e 32 em 35, obtemos:

(Eq. 37)

A eficiência é dada por:

(Eq. 38)

Considerando que a amplitude máxima da tensão AC no coletor seja , pelas

Equações 36 e 38 temos que:

(Eq. 39)

(Eq. 40)

A Figura 15, a seguir, apresenta o gráfico da eficiência para .

Figura 15 – Curva de Eficiência do Amplificador Classe C

Observa-se que a eficiência é máxima para . Pode-se mostrar então que:

(Eq. 41)

Este valor é uma possibilidade teórica, mas para ser alcançado teríamos picos de

corrente tendendo para o infinito, o que é razoável. Na prática, os amplificadores

transistorizados em Classe C para RF são projetados com eficiência em torno de 60%.

19

2.5 Amplificador Classe D

Um amplificador Classe D é projetado para operar com sinais digitais ou

pulsados. Uma eficiência além de 90% é obtida utilizando esse tipo de circuito, tornando-os

bastante interessante para amplificação de potência. É necessário, entretanto, converter

qualquer sinal de entrada em uma forma de onda pulsada antes de utilizá-lo para fornecer uma

grande potência à carga e convertê-lo novamente a um tipo senoidal para recuperar o sinal

original. A Figura 16 mostra como um sinal senoidal pode ser convertido em um sinal

pulsado, utilizando uma forma de onda triangular. Os dois sinais são aplicados a um

comparador (amp-op), produzindo na saída o sinal pulsado desejado. Embora a letra D seja

utilizada para descrever a operação seguinte à classe C, também poderia ser associada à

palavra “Digital”, pois é essa a natureza dos sinais envolvidos na operação desse tipo de

amplificador.

Figura 16 – Amostragem de uma Forma de Onda Senoidal para Produzir Forma de Onda Digital

A Figura 17 mostra um diagrama de blocos da unidade necessária para amplificar

o sinal Classe D e então convertê-lo de volta a um sinal senoidal utilizando um filtro passa-

baixa. Como os transistores do amplificador usado para gerar o sinal de saída estão

basicamente ligados ou desligados, eles são percorridos por corrente apenas quando estão

20

ligados, apresentando uma pequena perda de potência devido à baixa tensão utilizada. Como a

maior parte da potência aplicada ao amplificador é transferida para a carga, a eficiência do

circuito é geralmente muito alta. Dispositivos de potência MOSFET tornaram-se bastante

conhecidos como dispositivos acionadores para amplificadores Classe D.

Figura 17 – Diagrama de Blocos do Amplificador Classe D

2.6 Distorção do Amplificador

Um sinal senoidal puro de uma única freqüência na qual a tensão varia positiva e

negativamente. Um sinal que varia menos que um ciclo completo de 360º é considerado como

tendo distorção. Um amplificador ideal é capaz de amplificar um sinal senoidal puro,

produzindo uma forma de onda também senoidal. Quando ocorre a distorção, pode acontecer

porque as características do dispositivo são não-lineares, ocorrendo então distorção não-linear

ou de amplitude. Isso é possível com todas as classes de operação de amplificadores. A

distorção pode ocorrer também porque os elementos do circuito e dispositivos respondem a

um sinal de entrada de forma diferente nas várias freqüências, sendo esse caso chamado de

distorção de freqüência.

Uma das técnicas para descrever a distorção utiliza a análise de Fourier. Esse

método descreve qualquer forma de onda periódica em termos dos componentes de freqüência

(fundamental e múltiplo inteiro dela). Esses componentes são chamados de componentes

harmônicos ou apenas harmônicos. Por exemplo, um sinal original de 1.000 Hz poderia

resultar, após a distorção, em um sinal com componentes de freqüência de 1 kHz e

componentes harmônicos de 2 kHz (2 x 1 kHz), 3 kHz (1 kHz) e assim por diante. A

freqüência original de 1 kHz é chamada de freqüência fundamental, cujos múltiplos inteiros

21

são os harmônicos; o componente de 2 kHz é, portanto, chamado de segundo harmônico, o

componente de 3 kHz é o terceiro harmônico e assim sucessivamente. A freqüência

fundamental não é considerada um harmônico. A análise de Fourier não considera freqüências

harmônicas fracionárias, somente múltiplos inteiros da fundamental.

2.6.1 Distorção Harmônica

Considerando que um sinal possui distorção harmônica quando há componentes

harmônicos de freqüência (e não simplesmente o componente fundamental). Se a freqüência

fundamental tiver uma amplitude A1, o n-ésimo componente harmônico pode ser definido

como:

(Eq. 42)

O componente fundamental é normalmente maior do que qualquer componente

harmônico.

2.6.2 Distorção Harmônica Total

Quando um sinal de saída possui vários componentes de distorção harmônica, o

sinal pode ser uma distorção harmônica total baseada nos elementos individuais combinados

pela relação da seguinte Equação:

(Eq. 43)

onde THD é a distorção harmônica total.

Um instrumento como o analisador de espectro permitiria medir os harmônicos

presentes no sinal, fornecendo uma amostra dos componentes individuais de um sinal e vários

de seus harmônicos em uma tela. Da mesma maneira, um instrumento analisador de onda

permite medidas mais exatas dos componentes harmônicos de um sinal distorcido filtrando

cada um deles e fornecendo uma leitura. De qualquer maneira, a técnica de considerar

qualquer sinal distorcido como contendo um componente fundamental e seus componentes

harmônicos é pratica e útil. Para um amplificador em Classe AB ou Classe B, a distorção deve

ocorrer principalmente nos harmônicos pares, dos quais o componente de segundo harmônico

é a maior. Portanto, embora o sinal distorcido contenha, teoricamente, todos os componentes

harmônicos a partir do segundo harmônico, o mais crítico nas classes apresentadas

anteriormente é o segundo harmônico.

22

2.6.3 Potência de Sinal com Distorção

Quando ocorre distorção, a potência de saída calculada para o sinal não-distorcido

não é mais correta. Quando há distorção, a potência de saída liberada para o resistor de carga

RL devido ao componente fundamental do sinal distorcido é:

(Eq. 44)

A potência total devida a todos os componentes harmônicos do sinal distorcido

pode ser calculada utilizando:

(Eq. 45)

A potência total também pode ser escrita em termos de distorção harmônica total:

(Eq. 46)

2.6.4 Descrição Gráfica de Componentes Harmônicos Distorcidos

Uma forma de onda distorcida, tal como a que ocorre na operação Classe B, pode

ser representada, se utilizarmos a análise de Fourier, por uma fundamental com componentes

harmônicos. A Figura 18(a) mostra um semiciclo positivo resultante da operação de um

amplificador Classe B. Utilizando técnicas de análise de Fourier, o componente fundamental

do sinal distorcido pode ser obtido conforme mostra a Figura 18(b). Da mesma maneira, os

componentes de segundo e terceiro harmônicos podem ser obtidos, e são mostrados nas

Figuras 18(c) e 18(d), respectivamente. Utilizando a técnica de Fourier, a forma de onda

distorcida pode ser construída pela adição dos componentes fundamental e harmônicos, como

mostra a Figura 18(e). Em geral, qualquer forma de onda periódica distorcida pode ser

representada pela adição de um componente fundamental e todos os componentes

harmônicos, cada qual com diferentes amplitudes e ângulos de fase.

23

Figura 18 – Representação Gráfica de um Sinal Distorcido Através do uso de Componentes Harmônicos

2.6.5 Distorção de Crossover

Tomemos como exemplo o circuito da Figura 19(a). Para uma fonte de sinal

, haverá condução do transistor NPN quando e no

transistor PNP quando . Quando o transistor NPN está em condução, o PNP

encontra-se cortado, pois a tensão entre base e emissor é maior que . O mesmo ocorre

com o transistor NPN quando o PNP está em condução, pois a tensão entre base e emissor é

menor que . Portanto, os dois transistores trabalhando em conjunto permitem ao

circuito operar nos ciclos positivo e negativo do sinal, conforme a Figura 19(b). Podemos

observar um desnível no sinal de saída, tanto no ciclo positivo quanto no negativo, que

corresponde a e . Isto é chamado de crossover e provoca distorção harmônica.

24

Figura 19 – Sinal de Saída do Estágio Push-Pull: a) Com Crossover e b) Sem Crossover

O crossover pode ser eliminado com o uso de fortes realimentações negativas ou

através de pré-polarização do estágio de saída, levando o amplificador a operar em Classe

AB. Com este procedimento obtemos baixíssima THD, conforme a Figura 19(b).

O circuito da Figura 20 representa a forma esquemática para compensação do

crossover.

Figura 20 – Compensação do Crossover

3 APLICAÇÕES

25

Os amplificadores de potência são largamente usados em componentes de áudio-

receptores de rádio e televisão, fonógrafos e toca-fitas, sistemas estéreo e de alta fidelidade,

equipamentos de estúdios de gravação, etc. Nessas aplicações, a carga é geralmente um alto-

falante, que requer uma potência considerável para converter os sinais elétricos em ondas

sonoras. Os amplificadores de potência são usados também em “sistemas de controle”

eletromecânico para acionamento de motores elétricos. Podemos citar como exemplo os

acionadores de disco e de fitas (drives), braços de robô, pilotos automáticos, antenas

giratórias, bombas e válvulas elétricas, para todos os tipos de controles de processos.

4 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

4.1 Calcule a potência de entrada, de saída e a eficiência do circuito do amplificador

Classe A abaixo, sabendo que o sinal de entrada resulta em uma corrente de base de

5mA rms.

26

RESOLUÇÃO:

Cálculo da corrente de pico na base:

Cálculo da corrente de polarização de base:

Cálculo da corrente de polarização no coletor:

Encontrando a tensão de polarização entre coletor e emissor:

Definindo a corrente de pico no coletor:

a) A potência de entrada cc é então assim definida:

b) A potência de saída pode ser definida pela seguinte equação:

c) A eficiência de potência do amplificador pode ser calculada pela equação:

4.2 Para um amplificador de Classe B que forneça um sinal de 20V de pico para uma

carga de 16Ω (alto falante) e uma fonte de alimentação de Vcc = 30V, determine a

potência de entrada, a potência de saída e a eficiência do circuito.

RESOLUÇÃO:

Um sinal de 20V de pico através de uma carga de 16Ω fornece uma corrente de pico na carga

de:

27

Com a corrente cc da carga podemos encontrar a corrente cc da fonte:

A potência de entrada liberada pela fonte de tensão é:

A potência de saída liberada para a carga é:

Para uma eficiência resultante de:

4.3 Se a tensão de entrada do amplificador de potência classe B da figura abaixo for 8 V

rms, calcule:

a) Pi (cc);

b) Po (ca);

c) (%);

d) Potência dissipada em cada transistor.

28

RESOLUÇÃO:

Cálculo da tensão de pico da entrada:

Considerando que o amplificador tem, idealmente, um ganho de tensão unitário:

Encontrando a corrente de pico da carga:

Com a corrente cc da carga podemos encontrar a corrente cc da fonte:

a) Acha-se em conseqüência a potência fornecida ao circuito:

b) Cálculo da potência de saída desenvolvida pela carga:

c) A eficiência do circuito com entrada de 8V rms é, então:

d) A potência dissipada por cada transistor de saída é dada por:

4.4 Para o circuito da questão anterior calcule:

a) A máxima potência de entrada, a máxima potência de saída, a tensão de saída

para máxima potência de operação e a potência dissipada pelos transistores de

saída nessa tensão;

b) A máxima potência dissipada pelos transistores de saída e a tensão de entrada

que isso ocorre.

RESOLUÇÃO:

29

a) A máxima potência de entrada é:

A máxima potência de saída é:

A tensão de saída para máxima potência de operação é:

A potência dissipada pelos transistores de saída é, portanto:

b) A máxima potência dissipada por ambos os transistores de saída é:

A dissipação máxima ocorre em:

4.5 Calcule a THD e os componentes de distorção harmônica para um sinal de saída com

amplitude da fundamental de 2,1 V, amplitude de segunda harmônica de 0,3 V,

amplitude de terceira harmônica de 0,1 V e amplitude de quarta harmônica de 0.05 V.

RESOLUÇÃO:

Cálculo da componente de segunda harmônica:

Cálculo da componente de terceira harmônica:

Cálculo da componente de quarta harmônica:

Cálculo da THD:

30

31

5 CONCLUSÃO

Pode-se observar que os amplificadores de potência são dispositivos que fazem

parte do cotidiano da sociedade atual, seja através de um toca Cd ou um acionamento de um

motor elétrico, eles estão sempre presentes no nosso dia a dia.

Neste estudo, verificou-se que os amplificadores são subdivididos em cinco

classes (A, B, AB, C e D) e estas são caracterizadas de acordo com a variação do sinal de

saída, potência de saída, freqüência de corte, distorções e principalmente por sua eficiência,

onde temos melhores resultados da classe A para a D.

Nas características de funcionamento, buscou-se demonstrar como definir a

eficiência em cada uma das classes, através do equacionamento de todas as grandezas

envolvidas e analisou-se de forma objetiva sobre as principais distorções provocadas pelos

amplificadores (Distorções Harmônicas e Distorções de Crossover).

32

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

BARÚQUI, Fernando Antônio Pinto. Apostilha de Eletrônica IV. Departamento de

Eletrônica - Escola Politécnica (UFRJ)

BOGART, Theodore F. Jr. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos. 3ª ed. São Paulo: Editora

Makron Books. 2001.

BOYLESTAD, Robert L. NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de

Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Editora Pearson Prentice Hall. 2004.