Electrónica II – Amplificadores de Potênciacee.uma.pt/edu/el2/acetatos/AmpPot.pdf · Introdução Os amplificadores são normalmente compostos por vários andares em cascata:

Introdução

Os amplificadores são normalmente compostos por vários andares em cascata:

• entrada e intermédios operam com pequenos sinais.

• ao andar de saída é solicitada uma potência suficientemente elevada para excitar a carga (por ex: altifalante, tubo de raios catódicos, antenas de emissores, servomotores, ...)

• o andar de saída deve ter uma resistência de saída baixa para permitir a máxima entrega de potência à carga.

• este tipo de andares tem por objectivo um elevado rendimento com baixa distorção (Distorção harmónica total normalmente inferior a 1%.

Electrónica II – Amplificadores de Potência

Morgado Dias Electrónica II 9/2006 1

Introdução

• Uma eficiência elevada implica poucas perdas por dissipação.

• A potência dissipada no amplificador é limitada pela máxima temperatura da junção Colector-Base (150º e 200º para Silício).

• Os transístores utilizados são transístores de potência e são necessários cuidados especiais em relação às suas propriedades térmicas.

• O modelo de pequenos sinais nem sempre é aplicável.



Classes de funcionamento

Classe A - A corrente flúi durante todo o período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor 360º)

Classe B – A corrente flúi durante aproximadamente meio período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor ≈180º)



Classes de funcionamento

Classe AB - A corrente flúi durante mais de meio período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor entre 180º e 360º)

Classe C – A corrente flúi durante menos de meio período do sinal de entrada (ângulo de condução do transístor inferior a 180º e 360º). Neste caso énecessário um circuito adicional para recuperar o sinal pretendido.



Amplificador de classe A

O seguidor de emissor polarizado por Q2tem:

IE1=I+iL.

A corrente de polarização I tem que ser maior do que a maior corrente negativa para a carga ou Q1 entra ao corte.

A equação de saída é:

Vo=vi-vBE1




A figura mostra a característica de transferência do circuito.

O limite inferior é dado pela entrada de Q1 ao corte ou pelo limite da polarização.

O valor de I≥|-VCC+VCE2sat|/RLgarante que a excursão do sinal não fica limitada pela corrente de polarização.


Característica de transferência do circuito



Desprezando os valores VCEsat, se I estiver correctamente escolhido a saída pode variar entre ±VCC (a).

Se I for escolhida para permitir a corrente máxima negativa de VCC/RL obtém-se (c).

Em (d) está representada a potência instantânea que é dada por pD1=vCE1iC1



Eficiência do amplificador de classe A

A eficiência de um andar de saída é dada por:

Para o circuito, com uma entrada com forma de onda sinusoidal, Porms(potência de saída eficaz) é dada por:

onde Vp é o valor de pico da sinusóide.

Não considerando a potência consumida pelos elementos de polarização, a potência fornecida ao circuito é:

Logo o rendimento é dado por:

O rendimento máximo é obtido quando Vp=VCC=IRL.

Nessa situação o rendimento é de 25%.

Dado que este valor é baixo (para evitar distorção) esta classe não é muito utilizada em aplicações de potência


s

orms

P

P=η

LLorms R

Vp

R

VpP

2

)2/( 22

==

IVP CCs 2=

CCLVIR

Vp

4

2

=η


Eficiência do amplificador de classe A

Considerando o circuito da figura a funcionar em classe A pode analisar-se a relação de potência:

onde Ps é a potência fornecida pela fonte de alimentação do circuito, PD é a potência dissipada no transístor, Porms é a potência eficaz fornecida pelo amplificador à carga e PDC é a potência DC dissipada nas resistências.

a potência dissipada é:

o seu valor máximo será obtido quando Porms for nula.


vi

vo

Vcc

RL

DCormsDs PPPP ++=

L

CCL

L

CCLCDC R

VR

R

VRIP

4.)

2(

222 ===

DCormssD PPPP −−=

L

CC

L

CC

L

CCDCsDmáx R

V

R

V

R

VPPP

442

222

=−=−=


Amplificador de classe B

• Com vi=0 nenhum dos transístores conduz e vo énulo (a tensão de polarização VBE é nula).

• Se vi excede 0.5V QN conduz e fornece corrente à carga, enquanto QP está ao corte.

• Se vi baixa de -0.5V QP conduz e QN está ao corte. Em ambos os casos o circuito funciona como um seguidor de emissor.

vo=vi-vBE

O circuito funciona como um push-pull: QN fornece corrente à carga e QP recebe corrente da carga.

Os transístores NPN e PNP são complementares (parâmetros semelhantes).





• Existe uma gama de valores de vi em torno de zero para os quais ambos os transístores estão ao corte.

• Esta situação dá origem à distorção de crossover que, num amplificador de áudio implica ruído.




Influência da situação de não condução de ambos os transístores na saída do amplificador.

Distorção de crossover.



Eficiência do amplificador de classe B

Ignorando o efeito da distorção de crossover, a potência eficaz entregue àcarga é:

A potência fornecida ao circuito por cada uma das fontes de tensão é dada por:

onde Im é a corrente média do circuito.

Como neste circuito quando não há condução dos transístores não háconsumo, é necessário calcular o valor médio da corrente a partir da forma de onda sinusoidal, sendo que cada transístor apenas conduz em menos de meio ciclo.


LLorms R

Vp

R

VpP

2

)2/( 22

==

mCCs IVP =

∫=π

ααπ 0

.2

1dsenII pm

[ ]π

απ

π ppm

III == 0cos

2

1


Eficiência do amplificador de classe B

Onde Ip=Vp/RL.

Portanto para as duas fontes obtém-se:

sendo o valor máximo fornecido pelas fontes obtido

quando Vp=VCC de:

e a eficiência do circuito em classe B é dada por:

A eficiência máxima, obtida quando Vp=VCC, é de:


CCs

orms

V

Vp

P

P

4

πη ==

CCL

ps V

R

VP

π2=

L

CCsmáx R

VP

22

π=

%5,784

≅= πηmáx


Dissipação de potência no amplificador de classe B

PS=PD+Porms ou PD=PS-Porms ou seja:

Cada transístor dissipa metade da potência.

Para que o circuito funcione em segurança é necessário calcular a potência máxima a que cada um pode estar sujeito.

O máximo da expressão de PD pode ser calculado através do ponto onde a derivada se anula:

Igualando a zero obtém-se:

Portanto quando Vp toma este valor os transístores estão a dissipar a máxima potência.


LCC

L

pD R

VpV

R

VP

2

2 2

−=π

LL

CC

p

D

R

Vp

R

V

V

P−=

∂∂

π2

L

CC

L R

V

R

Vp

π2

=π

CCVVp

2=


Dissipação de potência no amplificador de classe B

Substituindo o valor anterior na expressão de PD obtém-se o seu valor máximo: ou por transístor:


L

CCDmáx R

VP

2

22

π=

L

CCDmáx

R

VP

2

2

π=


Outras configurações para o amplificador de classe B

Redução de crossover.

É possível obter redução de crossover através de realimentação. Neste caso a zona em que nenhum transístor conduz é reduzida para ±0.5V/Ao, sendo Aoo ganho DC do amplificador operacional.



Outras configurações para o amplificador de classe B

Funcionamento com uma única fonte de alimentação.

É possível utilizar amplificadores em classe B com uma única fonte de alimentação. O funcionamento é idêntico sendo as fórmulas anteriores válidas desde que se considere a alimentação simples como 2VCC.



Amplificador de classe AB

A distorção de crossover pode ser eliminada através da polarização adequada dos transístores. Basta garantir que a tensão de polarização é suficiente para manter sempre um transístor na zona activa directa.

Um amplificador nesta classe funciona de forma muito semelhante ao de


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classe B, com a diferença de que para vi pequeno ambos os transístores conduzem e que, em termos de potência, em classe AB há sempre alguma dissipação nos transístores.

Amplificador de classe AB


A distorção de crossover foi eliminada.



Polarização do amplificador de classe AB

A figura mostra a polarização dos transístores em classe AB utilizando díodos ou transístores ligados como díodos. Neste último caso obtém-se junções com características muito semelhantes.


Se os díodos estiverem em contacto térmico com os transístores pode-se obter uma compensação de temperatura entre as tensões de polarização e os VBEs dos transístores.


Polarização do amplificador de classe AB

Um aumento de temperatura dá origem a um decréscimo VBE de cerca de 2mV/ºC se a corrente de colector for mantida constante.

Se VBE for mantido constante (sem compensação de temperatura) a corrente de colector aumenta. O aumento da corrente de colector leva a um aumento da dissipação de potência que por sua vez leva a um aumento da corrente de colector.

Existe aqui um efeito de realimentação positiva que pode dar origem a um fenómeno chamado thermal runaway, que pode levar à destruição do transístor.

A utilização do contacto térmico e a escolha dos díodos apropriados previne este problema.



Polarização do amplificador de classe AB – Multiplicador de VBE

Uma forma alternativa de polarização está representada na figura.


Desprezando a corrente de base de Q1, a corrente em R1 e R2 é a mesma:

então VBB é:

ou seja VBE é multiplicado por um factor que pode ser escolhido para polarizar o circuito como for pretendido.

1

1

R

VI BE

R =

)1()(1

2121 R

RVRRIV BERBB +=+=


Polarização do amplificador de classe AB – Multiplicador de VBE

Outra forma de polarização passa por colocar um potenciómetro para estabelecer a corrente de colector pretendida.


Esta solução também pode ser utilizada para obter estabilização térmica, em especial se R1=R2 e Q1 estiver em contacto térmico com os outros transístores.


Transístores de potência

Os transístores de potência dissipam valores elevados de potência que éconvertida em calor, fazendo subir a temperatura da junção.

No entanto a junção não deverá exceder um valor máximo TJmax, caso contrário o transístor poderá ficar danificado.

Para dispositivos em silício TJmax anda na gama de 150ºC a 200ºC.

Um transístor em estado estacionário a dissipar PD watts tem uma variação da temperatura em relação ao ambiente de:

onde TJ é a temperatura da junção, TA é a temperatura ambiente e θJA é a resistência térmica entre a junção e o ambiente.


DJAAJ PTT θ=−


Transístores de potência

A relação descrita pela equação anterior é idêntica à lei de Ohm como esta representado na figura.

A dissipação de potência corresponde à corrente, a resistência térmica àresistência e a diferença de temperatura à diferença de potencial.



Dissipação de potência em função da temperatura

A especificação fornecida pelo fabricante para um transístor de potência inclui normalmente TJmax à temperatura ambiente (tipicamente 25ºC) e a resistência térmica.

A figura mostra o comportamento da potência dissipada máxima em função da temperatura ambiente.


No caso de a temperatura de funcionamento ser superior a máxima potência dissipada deve ser calculada a partir da expressão:

JA

AJDmáx

TTP

θ−

= max


Encapsulamento do transístor e dissipação de calor

A resistência térmica entre a junção e o ambiente pode ser expressa da seguinte forma:

onde θJC é a resistência térmica entre a junção e o encapsulamento e θCA é a resistência térmica entre o encapsulamento e ambiente.

O fabricante pode reduzir θJC colocando o transístor num encapsulamento metálico de grandes dimensões e colocando o colector em contacto com este.

O projectista não tem controlo sobre θJC mas pode ter sobre θCA. Esta resistência pode ser reduzida, facilitando a transferência de calor para o ambiente, por exemplo aparafusando o transístor ao chassis ou a uma placa metálica que funcione como dissipador.



CAJCJA θθθ +=


Se um dissipador de calor for utilizado então a resistência térmica entre o encapsulamento e o ambiente é dado por:

onde θCS é a resistência térmica entre o encapsulamento e o dissipador e θSAé a resistência térmica entre o dissipador e o ambiente.

θCA pode ser tornado suficientemente baixo em função da escolha do dissipador. O equivalente eléctrico do processo de condução térmica estárepresentado na figura.

E é dado pela equação:



SACSCA θθθ +=

)( SACSJCDAJ PTT θθθ ++=−


O fabricante fornece habitualmente informação sobre a variação de PDmax em função de TC e o valor de θJC.

Para cada transístor a máxima dissipação de potência a TC0 é muito superior à obtida para TA0.

Normalmente tem-se TC0≤TC≤TJmax e a dissipação de potência máxima éobtida para TJ=TJmax.



JC

CJDmáx

TTP

θ−

= max

Variações da configuração de Classe AB

Existem diversas variações na configuração da classe AB.


A figura mostra a utilização de dispositivos compostos, neste caso pares Darlington.Neste caso existe uma queda de tensão adicional de VBE que tem de ser compensada pelo multiplicador de VBE.



Protecção de curto circuito.


O circuito apresenta protecção de curto circuito para a situação em que o andar amplificador está a fornecer corrente.

A resistência RE1 é escolhida de forma que, se a corrente de Q1 for demasiado elevada, a queda de tensão VRE1 será suficiente para colocar Q5 à condução.

Nesta situação uma grande parte da corrente de base de Q1 será desviada para o colector de Q5, fazendo Q1 regressar a uma corrente mais baixa.



Protecção térmica.



O circuito apresenta protecção térmica de forma a ligar um determinado transístor no caso de a temperatura de referência ser excedida.

O transístor Q2 está normalmente desligado. Quando a temperatura sobe, a combinação do coeficiente positivo de temperatura do díodo zener e o coeficiente negativo de temperatura de VBE1 faz subir a tensão no emissor de Q1 e na base de Q2.

Se o circuito estiver bem configurado, nesta situação Q2 entra em funcionamento absorvendo através do seu colector a corrente de polarização do amplificador e desligando-o.

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