UFBA
Universidade Federal da Bahia
Escola Politécnica
Departamento de Engenharia Elétrica
Amplificadores de Potência
ou
Amplificadores de Grandes Sinais
Amauri Oliveira
Fevereiro de 2011
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 alimentação
Fonte de
sinal
Estágio
Inicial
Estágio
Intermediário
Estágio
Final
Carga
“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.
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Classes de operação
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:
Classe A;
Para definir as classes de operação podemos usar
o amplificador emissor comum
Classe B;
VCC
12V
R1
2.2kΩ
Classe AB;
Classe C;
Classe D.
V2
V1
12 V
0 Vpk
0kHz
0°
Q1
BC547A
4
Classes de operação e ponto de operação
VCC
12V
R1
2.2kΩ
V2
V1
12 V
0 Vpk
0kHz
0°
Q1
A
BC547A
AB
C
B
Classe A : V1=0,640;
Classe B: V1 =0,55;
Classe AB: V1=0,6;
Classe C: V1=0,5;
Classe D !.
5
Classes de operação e excursão do sinal
VCC
12V
R1
2.2kO
V2
V1
0,64 V
27 mVpk
1kHz
0°
Q1
A
BC547A
Classe A :
- V1=0,640, Ic=3mA;
- Saída com excursão de
360°
6
Classes de operação e excursão do sinal
VCC
12V
R1
2.2kO
V2
V1
0,55 V
102 mVpk
1kHz
0°
Q1
BC547A
B
Classe B:
-V1 =0,55 e Ic=0;
-Saída com excursão de
180°
7
Classes de operação e excursão do sinal
VCC
12V
R1
2.2kO
V2
V1
0,6 V
67 mVpk
1kHz
0°
Q1
BC547A
AB
Classe AB:
-V1=0,6V, Ic=0,92mA;
-180°<excursão<360
°
8
Classes de operação e excursão do sinal
VCC
12V
R1
2.2kO
V2
V1
0,5 V
165 mVpk
1kHz
0°
Q1
BC547A
C
Classe C:
-V1=0,5V, Ic=0;
-Excursão do sinal <
180°
-Aplicação em circuitos de
comunicação !
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Rendimento nos amplificadores de potência
Fonte de alimentação
Pi
Estágio
Final
Po
Carga
Perdas por aquecimento de componentes
Pi  Po  Perdas
Pi – Potência média fornecida pela fonte;
Po – Potência média de sinal na carga.
Rendimento
Po

Pi
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Rendimento nos amplificadores de potência
Amplificador Classe A com Alimentação Série
VCC
RL
Q1
vo
Pi  Pt  Po  PL(DC )
Pi  VCC I Q
Po 
Vo ( p  p ) I o ( p  p )
MAX
8
 0,25
Po Vo( p  p ) I o( p p )
 
Pi
8VCC I Q
Vo(p-p)MAX = VCC e Io(p-p)MAX = 2IQ
Como reduzir perdas e aumentar o rendimento ?
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Rendimento nos amplificadores de potência
Amplificador Classe A com Transformador
Pi  Pt  Po  PL(DC )
Pi  VCC I Q
Po 
Vo ( p  p ) I o ( p  p )
 MAX
8
 0,5
Po Vo( p  p ) I o( p p )
 
Pi
8VCC I Q
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
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Rendimento nos amplificadores de potência
Amplificador “Push-Pull” com par complementar
Pi  Pt  Po  PL(DC )
Pi  VCC 2I op / 
Po 
Vop I op
Po  Vop
 
Pi 4 VCC
2
VopMAX = VCC
 MAX 

4
 0,7854
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Rendimento, potência nos transistores e na carga
Amplificador “Push-Pull” com par complementar
Pi  Pt  Po
Pt  Pi  Po
Pi  VCC 2I op / 
Po 
Vop I op
PtMAX
2
dP
 t 0
dVo
Pt 
2Vop
RL
Vop 
VCC 
Vop
2
2 RL
2VCC

Nesta Condição:
2(VCC ) 2
Pt  Po  2
 RL
  0,5
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Rendimento, potência nos transistores e na carga
Amplificador “Push-Pull” com par complementar
Pt 
2Vop
RL
VCC 
Vop
2
2 RL
Po 
Vop
2
2 RL
Exemplo:
RL = 8W e
PoMAX=16W
Determinar: VCC e
PtMAX
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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.
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Modelo térmico dos transistores
Representação da primeira lei da termodinâmica (conservação de
energia)
ei  ed  ea
Energia recebida = energia dissipada + energia acumulada
Exemplo: Potência (energia por unidade de tempo) em um resistor
aquecido por efeito Joule.
dTR
v  i  Pe  Gth TR  Ta   Cth
dt
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Modelo térmico dos transistores
Sistema elétrico análogo ao sistema térmico
Sistemas análogos – sistemas com equações análogas
i  G vC  va   C
i  ir  ic
dvC
dt
Pe  Gth TR  Ta   Cth
Equação do sistema
térmico análoga
dTR
dt
Grandezas Análogas:
Sistema térmico
Pe
Gth
TR
Ta
Cth
Sistema elétrico
I
G
vC
va
C
Representação do sistema térmico do resistor
usando analogia com o sistema elétrico
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Modelo térmico dos transistores
Equações térmicas para um transistor
Pe  Gth j mb T j  Tmb   Cth j
dTj
dt
0  Gth j  mb Tmb  T j   Gth mb  a Tmb  Ta   Cth mb
dTmb
dt
Representação usando
analogia com sistema elétrico
ou
Modelo Térmico
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Simplificação na condição de regime !
Modelo térmico dos transistores
Condição de regime térmico e utilização de dissipador
Tj  Pe Rth j mb  Rth mb a  Ta  Pe Rth j a  Ta
dissipador
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.
Rth mb-a também pode ser diminuída utilizando uma ventoinha.
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Modelo térmico dos transistores
Condição de regime térmico e utilização de dissipador
Dados de dissipadores, exemplo: SERIE LPD (LPD.pdf)
Continuar exemplo com BD135
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Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB
Polarização com diodos
Polarização com multiplicador VBE
Porque usar fonte de corrente ?
Porque usar circuito classe AB ?
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Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB
Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”
Origem – tensão VB12 de polarização
insuficiente
Característica
de
Transferência
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Polarização de Circuitos Classe B e Classe AB
Distorção de cruzamento (crossover) em amplificadores “push-pull”
Distorção de 3ª harmônica !
Exemplo:
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Exemplo de estágio de potência e “driver”
Exemplo
“driver”
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Exemplos de amplificadores de potência
Amplificador de potência com componentes discretos (AN-1490)
Amplificador de potência em CI (TDA1521A_CNV_2)
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