Amplificadores de Potência Classe A

Universidade do Estado de Santa Catarina
CCT – Centro de Ciências Tecnológicas
Amplificadores de Potência Classe A
Professor:
Celso José Faria de Araújo
Disciplina:
Eletrônica Analógica I
Joinville – SC
Introdução
Uma função importante do estágio de saída é dar ao amplificador uma baixa resistência para
que possa entregar o sinal à carga o maior ganho possível. Como o estágio de saída é a etapa final do
amplificador e costuma ter sinais relativamente grandes, os modelos e aproximações para pequenos
sinais devem ser usados com muito cuidado.
A linearidade continua sendo uma exigência muito importante. Nesses casos, uma medida da
qualidade do projeto do estágio de saída a distorção harmônica total. É o valor eficaz dos
componentes harmônicos excluindo a fundamental.
Uma exigência no projeto do estágio de saída é que entregue à carga a quantidade de
potência de uma forma eficiente. Isto quer dizer que a potência dissipada nos transistores no estágio
de saída deve ser a mais baixa possível, esta exigência se origina principalmente no fato de que a
potência dissipada no transistor eleva a temperatura na união interna e há uma máxima (entre 150
ºC e 200 ºC), acima disso o transistor se destrói.
Outra razão de para que seja necessária uma elevada eficiência é o prolongamento na duração das
baterias empregadas em circuitos alimentados com bateria, para permitir uma fonte de alimentação
menor ou para que não seja necessária a utilização de ventiladores de esfriamento.
Um amplificador de potência é simplesmente um amplificador com um estágio de saída de alta
potência.
1. Classificação de estágios de saída
São classificados de acordo com a forma de onda da corrente do coletor.
a. Estágio Classe A:
É polarizado com uma corrente maior do que a amplitude de corrente do sinal. Então o
transistor conduz durante o ciclo completo do sinal de entrada, ou seja, o ângulo de condução é
360⁰.
Figura 1. Comportamento da corrente Ic para estágio classe A
b. Estágio Classe B:
É polarizado com corrente zero de DC, assim o transistor só conduz metade do ciclo da onda
senoidal de entrada. O ângulo de condução é de 180⁰.
Figura 2. Comportamento da corrente Ic para estágio classe B
c. Estágio Classe AB:
Implica a polarização do transistor a uma corrente DC distinta de zero, muito menor que a
corrente de pico do sinal da onda senoidal. Como resultado o transistor conduz num intervalo um
pouco maior de meio ciclo. O ângulo de condução maior que 180⁰, mas muito menor que 360⁰.
Figura 3. Comportamento da corrente Ic para estágio classe AB
Estes amplificadores são utilizados como estágios de saída de amp ops e amplificadores de potência
de áudio.
2. ESTÁGIO DE SAÍDA CLASSE A
Em virtude da baixa resistência de saída, o seguidor de emissor é o estágio de saída classe A
mais popular. Consideraremos sua operação com grandes sinais.
a) Característica de transferência:
Figura 4. Circuito seguidor de emissor classe A
Seguidor de emissor Q1 polarizado com uma corrente I constante, fornecida pelo transistor Q2:
= + A corrente I deve ser maior que a corrente negativa mais alta da carga, para que Q1 não entre em
corte.
Transferência do seguidor de emissor:
= − Mas depende de e Desprezaremos neste caso a pequena variação de para a
variação da corrente do emissor:
Figura 5. Característica de transferência
O limite positivo da região linear é delimitado pela saturação de Q1:
Já o limite negativo da região linear é delimitado pelo corte de Q1:
Ou pela Saturação de Q2:
A tensão de saída mais baixa é obtida quando a corrente I for maior que a amplitude de corrente da
carga correspondente:
Resumo:
Exercício: Para o seguidor da figura 4, suponha Vcc=15V, Vce=0,2V, Vbe=0,7V e β muito alto.
Calcule o valor de R que estabelecerá uma corrente de polarização suficientemente alta para permitir
a excursão, a maior possível, do sinal de saída para RL= 1kΩ. Determine a excursão do sinal de saída
resultante e as correntes máxima e mínima do emissor.
- Cálculo de R:
Primeiro determinaremos a tensão mínima para vo em que o transistor Q2 entra em saturação.
= − + 2
= −15 + 0,2 = −14,8
Para obtermos a máxima excursão possível de sinal precisamos produzir uma corrente de polarização
I constante que coloque a região de corte de Q1 na mesma da saturação de Q2
Logo: = − × −14,8 = − × 1!
= 14,8"
Sabemos também que β é muito grande, logo vamos considerar que ib≈0mA. Também vamos
considerar que Q3 é um espelho de corrente e que por ele passa a corrente I.
Tendo a corrente I só precisamos do valor da tensão na base de Q2 para determinarmos a
resistência.
Logo: # = − + # = −15 + 0.7 = −14,3
=
- Excursão de sinal:
O valor da tensão mínima já calculamos:
#
−14,3
=
= 966,2Ω
−14,8
vomín = −14,8V
e
0 = − 1 = 15 − 0,2 = 14,8
- Corrente do emissor máxima e mínima:
Para vomín:
= + = 14,8 − 14,8 = 0,0"
Para vomáx:
= + = 14,8 + 14,8 = 29,6"
3. Formas de onda do sinal
Analisando as formas de onda da tensão e da corrente para os transistores Q1 e Q2 na figura 4:
Se olharmos a curva de entrada pela saída (0), veremos que o sinal de saída 3 poderá
excursionar desde até – , como está mostrado na figura 7-a, desde que se escolha o ponto de
polarização adequada. Se esta condição é satisfeita a tensão do transistor Q1 será 5 = − .
Assumindo ainda que a corrente que passa pelo transistor Q2 é tal que temos uma corrente na
carga no seu máximo negativo (o que também faz parte da melhor excursão de sinal), teremos então
que a corrente terá a mesma forma de onda da saída 3 mas acrescido de um valor , como pode
ser visto na figura 7-c abaixo:
Figura 6 – Formas de onda no transístor de potência Q1
4. Dissipação de Potência
Conseguimos aqui garantir então que o transístor 61 esteja sempre na região ativa de operação.
Como temos o sinal de 5 , que é a tensão aplicada no transístor ao longo do tempo, e da corrente
, que é a corrente que circula pelo transístor, podemos dizer que a potência dissipada no
transístor será um produto das mesmas, ou seja: 78 = 5 . Então, basta multiplicarmos ponto
a ponto os gráficos de tensão e corrente, e teremos o gráfico de potência, mostrado na figura 7-d.
Através dele, é nítido que o maior valor de potência instantânea dissipado pelo transístor é
789:; = . Fazendo a mesma análise para 62, sabemos que sua corrente será constante e de
valor. Como a tensão 5< = 3 + == , teremos então 78< = =< , com máximo instantâneo de
tensão em 5<9:; = −2== . Então, em módulo, a potência máxima dissipada por 62 será
>3²
78<9:; = 2. Temos ainda uma potência instantânea na carga igual a 7 = @
A (B9C)
.
Exemplo: Considerando o circuito seguidor de emissor mostrado na figura 4 com = 10, =
100", e = 100Ω, e que a excursão de sinal é maior possível, encontre a potência dissipada
em 6162 sobre condições de polarização quiescentes (3 = 0). Para uma saída de tensão
senoidal, encontre a potência média dissipada em 6162. Encontre também a potência na carga.
D
Solução: No ponto de polarização DC, teremos = + @E e = = == − 3 para o transistor Q1 e
A
=< = e =< = 3 + == para o transístor Q2. Mas como nossa tensão de entrada F = 0 temos
3 = 0. Vamos considerar daqui em diante que = = , e como temos a saída em 0 V, então
= = = =< e = = =< = == .
Como 78 = = = e 78< = =< =< , finalmente temos as tensões no ponto quiescente de
polarização: GHI = GHJ = KLL M = IN.
Em AC, Considerando uma entrada senoidal, teremos na saída 3 () = 3 (O). Novamente
vamos considerar que a corrente de coletor é a mesma corrente que flui no emissor. Analisando o
transistor Q1, temos que 5 () = == − 3 (O) e () = +
DE C5P(QR)
.
@A
Lembrando que
3 = == (pico). Então, multiplicando as duas expressões (ou seus respectivos gráficos), achamos
uma expressão para a potência, onde 7: () = == (1 − < (O)).
Fazendo uma integração num período e dividindo pelo mesmo, podemos achar a componente média
I
V
\
da potência: GSTUI = V W[ GXY (Z)UZ = == \ W
1 − < (O)] = == ^1 − <_.
I
Então, no transistor Q1, a potência média dissipada é GSTUI = J KLL M = [. `N.
Para o transístor Q2, sabendo que 5< () = 3 (O) + == e < () = , podemos simplesmente
multiplicar o gráfico de 5< () por , e facilmente veremos que em 7:< = (3 (O) + == ),
teremos uma média de potência GSTUJ = KLL M = IN (o resultado pode ser obtido analiticamente,
utilizando-se os mesmos passos acima).
Por último, nos resta analisar a potência entre a carga. Mas Ga (Z) =
bc (Z)J
da
=
(DE C5P(QR))e
.
@A
Tirando a
D e
potência média, teremos 795f = < @E . Mas 3 = então GaSTU = [. `N
A
5. Rendimento da conversão de potência
Considerando a eficiência (rendimento) de um estágio de saída classe A, podemos fazê-lo como:
g=
7 (7ê]ij)
7k (7ê]l)
Logo, a eficiência de um estágio de saída de um amplificador Classe A será a razão entre a potência
dissipada na carga e a potência fornecida pela fonte. Se fizermos a potência do circuito Classe A
estudado até agora, seguidor de emissor, demonstrado na figura 4:
Sendo a tensão de alimentação da saída, , uma senóide com amplitude ^ , a potência média do
estágio de saída em será:
<
1 ^
7 = .
2 Da mesma forma, olhando para o circuito, percebemos que possuímos dois estágios de entrada, um
em 6 e outro em 6< . Para tal, como estamos considerando um valor médio, conforme colocado no
item anterior, podemos considerar uma corrente I, que polarizará os transistores corretamente, e
que fará com que a tensão de saída possua o comportamento da Figura 67 - a.
Se fizermos a equação da malha no transistor 1:
−== + = + = 0
E teremos a máxima potência quando = −== , sendo assim:
= = 2==
Podemos então considerar a potência média do transistor 1, fazendo:
7no = == . E ocorrerá o mesmo para o transistor 2, no entanto a potência máxima ocorrerá quando = == ,
mas consideramos que a tensão de saída varia de −== até +== , e já colocamos aqui a resposta da
potência média:
7ne = == . A potência média total do estágio de entrada será então:
7k = 7no + 7ne = 2. == . Combinando as duas equações:
<
1 ^
7
1 ^
^
2 . g=
=
= .p
q.p q
7k 2. == . 4 . ==
Sendo esse o rendimento. Conseguimos, logo, que o máximo rendimento será quando:
^ = == = . E nessa situação teremos que g = 25%, um rendimento baixo. Por causa disso, dificilmente o
estágio de saída Classe A é utilizado em situações com altas potências (acima de 1W).
Outro ponto a ser considerado que é deve-se cuidar com a tensão de saída e demais detalhes da
polarização para que os transistores não saiam da região de amplificação.
Exemplo: Seja o seguidor de emissor da figura 4, e sendo VCC=10V, I=100mA, RL=100 Ω. Se a tensão
de saída é senoidal e possui pico de 8V, encontre:
a) A potência fornecida à carga,
b) a potência média da fonte,
c) a eficiência de conversão de potência. Ignore as perdas em R e Q3.
Solução:
a) Para determinar a potência fornecida à carga, devemos fazer uso da equação abaixo,
considerando que o pico de tensão da saída é 8V e que a resistência de carga é de 100 Ω.
<
1 ^
1 8<
7 = .
= .
= [, sJN
2 2 100
b) Para determinar a potência média da fonte, utilizamos:
7k = 2.10.100. 10tu = JN
c) Ignorando as perdas em R e Q3, pois normalmente em circuitos Classe A consideramos o
v ≈ 1, e as correntes de base dos dois transistores são muito pequenas, teremos:
g=
7 (7ê]ij) 0,32
=
= Ix%
7k (7ê]l)
2
E pelas razões de polarização, como comentado no item acima, teremos que normalmente o
rendimento (eficiência) de estágios de saída Classe A serão entre 10% e 20%, o que significa um
rendimento baixo.