EPE1742 - Unitau
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XVII Encontro de Iniciação Científica XIII Mostra de Pós-graduação VII Seminário de Extensão IV Seminário de Docência Universitária 16 a 20 de outubro de 2012 INCLUSÃO VERDE: Ciência, Tecnologia e Inovação para o Desenvolvimento Sustentável EPE1742 PROJETANDO E SIMULANDO NO PROTEUS UM AMPLIFICADOR DE POTENCIA LINEAR DE ÁUDIO EM CLASSE AB COM BJT CLEDERSON PEREIRA DOS REIS ANDRE FERNANDES TAVARES JOSE MAURÍCIO DE FREITAS [email protected] ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO FAEX - FACULDADE DE EXTREMA ORIENTADOR(A) WILTON NEY DO AMARAL PEREIRA UNIVERSIDADE DE TAUBATÉ RESUMO O projeto de amplificadores de potência de áudio, discretos e ultralineares, mesmo hoje, com todos os avanços da tecnologia e do conhecimento em eletrônica analógica que acumulamos, é um respeitável desafio. A principal fonte das dificuldades é o comportamento não linear dos transistores bipolares (BJT - “Bipolar Junction Transistor”). A junção PN tem um comportamento exponencial que só garante rigorosa linearidade em tensões base-emissor inferiores a 25 mV. Nesta situação, o valor numérico que compõe o expoente da função permite aproximá-la à típica função linear y=1+x. Sua expansão em série de potências pode, então, ser reduzida, com excelente aproximação, ao valor algébrico, apenas aos dois primeiros termos. Com alguma tolerância, é possível alcançar até 100 mV de pico na entrada com distorção harmônica aceitável. Mas mesmo com este valor na entrada, o BJT ainda é considerado operando em “pequenos sinais”. Amplificadores de potência na configuração simétrica (ou “push-pull”) em classe AB funcionam como seguidores de emissor, com ganho de tensão inferior a unidade. Se forem aplicados, por exemplo, 12 volts de pico na carga, os BJTs serão excitados por tensões na base superiores a esse valor, logo muito longe de uma operação linear. A bibliografia a define como um funcionamento “em grandes sinais”, onde as latentes não linearidades do BJT inundam o circuito com harmônicos. Outro desafio é a forte suscetibilidade térmica do BJT, agravando ainda mais o seu “mau-humor” não linear. Amplificadores de potência implementados microeletronicamente tem uma arquitetura analógica extremamente complexa, com laços de realimentação para minimizar as derivas térmicas e ampla utilização de cargas ativas. Esta sofisticação tem oferecido ao mercado circuitos integrados extremamente estáveis e com distorção harmônica. No projeto discreto, as duas facilidades mitigadores dos CIs não são possíveis. E cada novo projeto é realmente um projeto novo, pois pouco é aproveitado se topologia ou especificação do amplificador for modificada. Adicionalmente, a bibliografia disponível não apresenta um procedimento completo de projeto. Textos técnicos mais comuns no meio acadêmico ou profissional apresentam apenas cálculos de blocos isolados, sem compor um conjunto que oriente a realização de algo prático utilizável. O trabalho buscou inicialmente estabelecer uma rotina de cálculo geral e padronizada. Novamente a versatilidade desta rotina é inversamente proporcional ao grau de padronização desejado nesta sequencia de cálculos. Em seguida, um circuito típico, uma cadeia amplificadora composta por um estágio pré-amplificador, um excitador (“driver”) e o estágio final em Classe AB foi calculado. Na etapa seguinte, o circuito foi simulado em microcomputador PC, empregando o “software” Proteus. Verificou-se que o resultado obtido na fase inicial da simulação era significativamente diferente da previsão assumida durante os cálculos. Na simulação foram utilizados os modelos dos BJT residentes no programa, mais elaborados que os dados dos fabricantes utilizados nos cálculos. E os dados, nos dois casos, são mais aderentes ao emprego dos BJTs em pequenos sinais do que em grandes sinais, como ocorre em um amplificador de potência. Ajustes por tentativa e erro nos componentes mais críticos, entretanto, conduziram à convergência entre os resultados da simulação e os valores assumidos nos cálculos. Permitiram até mesmo alguma melhoria. Na fase onde o trabalho se encontra não foi possível montar o amplificador e prosseguir na pesquisa. Com a montagem, espera-se comparar os resultados das três etapas: cálculo, simulação numérica e medidas. Este será o próximo objetivo da pesquisa.
