EPE1742 - Unitau

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.