ESTÁGIOS DE SAÍDA

FUNDAMENTOS2 h

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CLASSES DE ESTÁGIOS DE SAÍDA Os estágios de saída trabalham com grandes

amplitudes e grandes correntes. O modelo de pequenos sinais não é mais

válido, ainda assim a linearidade é um requisito importante.

Na figura a seguir são mostradas 4 classes de estágios de saída.

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CLASSES DE ESTÁGIOS DE SAÍDA: A, B, AB, C

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Na figura a seguir é mostrada um estágio de saída

classe A. A tensão de saída é dada por:

vO=vI-vBE1 A máxima tensão de saída é dada por:

vOmax=VCC-VCE1sat

O transistor Q2 puxa uma corrente constante I, assim:iE1=I+iL

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Se iL for muito negativa, Q1 irá cortar. Portanto, a mínima tensão de saída é dada pelo corte

de Q1, ou pela saturação de Q2:vOmin=-IRL

vOmin=-VCC+VCE2sat

Escolhendo I(VCC-VCE2sat)/RL, a tensão mínima se dá pela saturação de Q2.

A próxima figura ilustra a função de transferência do seguidor de emissor.

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Colocando uma onda senoidal na entrada, temos

que a tensão senoidal de saída será dada por:vO=VCCsin(2fot) com VCC>>VCEsat

Por outro lado, a tensão vCE1=VCC-vO será dada por:vCE1=VCC[1-sin(2fot)]

Supondo que I=VCC/RL, temos que a corrente de coletor é dada por:iC1=I [1+sin(2fot)]

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A Portanto a potência dissipada em Q1:

pD1=vCE1iC1=VCCI [1-sin2(2fot)]cujo valor de pico é VCCI, que é igual à dissipação sem sinal.

O rendimento de conversão de potência é definido como:=PL/PVCC

onde PL é a potência entregue à carga, e PVCC é a potência retirada das fontes de alimentação.

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A A potência entregue à carga é dada por:

PL=VO2/(2RL)

onde VO é o valor de pico da tensão senoidal de saída.

A corrente média em Q1 é igual a I, e a corrente em Q2 é constante e também igual a I, portanto a potência retirada das fontes de alimentação é igual a:PVCC=2VCCI

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A O rendimento de conversão de potência é dado

por:=(1/4)(VO/RLI)(VO/VCC)

Para VO=VCC e VO=RLI, o rendimento máximo é igual a:=1/4=25 %

Devido ao baixo rendimento, estágios de saída classe A são pouco usados em alta potência.

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B A próxima figura ilustra a conexão de um

transistor NPN e um PNP formando uma configuração denominada “push-pull”, ou seja, enquanto um transistor empurra corrente, o outro puxa.

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B Na figura a seguir é ilustrada a função de

transferência entre saída e entrada.– Para vI>0 V, tanto QN, quanto QP estarão cortados e

a saída vO=0 V.– Para vI>0,5 V, vO=vI-vBEN, com QP cortado.– Para vI<-0,5 V, vO=vI+vBEN, com QN cortado

Na região –0,5<vI<0,5 V, temos distorção por cruzamento, conforme mostra a próxima figura.

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B A potência entregue à carga é dada por:

PL=VO2/(2RL)

A corrente drenada da fonte de alimentação consiste de semiciclos com valor de pico VO/RL, portanto o valor médio da corrente é VO/(RL), que dá uma potência total retirada das fontes de alimentação é igual a:PVCC=2VCCVO/(RL)

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B Portanto a eficiência é dada por:

=(/4)(VO/VCC) Para VO=VCC, temos que

=/4=78,5 % A potência total dissipada é dada por:

PD=PVCC-PL E portanto,

PD=2VCCVO/(RL)-VO2/(2RL)

onde metade é dissipada em QN e QP.

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ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE B Derivando PD em relação a VO, temos que a

tensão de saída que causa máxima dissipação é dada por:VO=2VCC/

Portanto:PDmax=2VCC

2/(2RL) Na máxima dissipação, a eficiência é de

=50%

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EXEMPLO 9.1

Projete um estágio de saída classe B, para fornecer uma potência média de 20 W para uma carga RL=8 . A fonte de alimentação deve ser escolhida, tal que VCC=VO+5 V.

Determine o valor da fonte de alimentação. A corrente de pico drenada da fonte de alimentação. A potência total fornecida pela fonte. O rendimento de conversão de potência. A potência de dissipação máx. de cada transistor.

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EXEMPLO 9.1

A partir da potência na carga, temos:VO=(2PLRL)=(2208)=17,9 V

Portanto,VCC=23 V

A corrente de pico drenada da fonte é igual:IOpico=VO/RL=17,9/8=2,24 A

A potência fornecida por cada fonte:PVCC=VCCVO/(RL)=232,24/=16,4 W

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EXEMPLO 9.1

O rendimento é dado por:=20/(216,4)=0,61

A dissipação de potência em cada transistor é dada por:

PDmax=VCC2/(2RL)=232/(82)=6,7 W

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RESISTÊNCIA TÉRMICA Um transistor de potência não pode nunca ter a sua

temperatura de junção máxima excedida, ou seja:TJTJmax

Além disso, temos que:TJ-TA=JAPD

onde TA é a temperatura do meio ambiente, PD é a potência dissipada pelo transistor e JA é a resistência térmica do dispositivo medida em C/W.

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EXEMPLO 9.4 Um TBJ é especificado para dissipação de

potência máxima de PDOmax=2 W na temperatura ambiente de TA=25 C e a uma temperatura de junção de TJ=150 C.

Calcule a resistência térmica. A máxima potência de dissipação a uma

temperatura TA=50 C. A temperatura de junção, se o dispositivo estiver

operando com TA=25 C e dissipando 1 W.

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EXEMPLO 9.4

A resistência térmica é dada por:JA=(TJ-TA)/PD=(150-25)/2=62,5 C/W

A máxima potência de dissipação é obtida de:PDmax=(TJmax-TA)/JA=(150-50)/62,5=1,6 W

A temperatura de junção é dada por: TJ=TA+JAPD=25+62,51=87,5 C

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DISSIPADOR DE CALOR A resistência térmica entre a junção e o ambiente é

dada pela associação série de:JA=JC+CA

onde JC é a resistência térmica entre a junção e o encapsulamento (“case”) do transistor, e CA é a resistência térmica entre o encapsulamento e o ambiente.

Enquanto JC depende somente do encapsulamento do dispositivo, CA pode ser diminuído pela colocação de um dissipador externo.