Electrónica II – Amplificadores de Potência

Electrónica II – Amplificadores de Potência
Introdução
Os amplificadores são normalmente compostos por vários andares em
cascata:
• entrada e intermédios operam com pequenos sinais.
• ao andar de saída é solicitada uma potência suficientemente elevada para
excitar a carga (por ex: altifalante, tubo de raios catódicos, antenas de
emissores, servomotores, ...)
• o andar de saída deve ter uma resistência de saída baixa para permitir a
máxima entrega de potência à carga.
• este tipo de andares tem por objectivo um elevado rendimento com baixa
distorção (Distorção harmónica total normalmente inferior a 1%.
Morgado Dias
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Electrónica II – Amplificadores de Potência
Introdução
• Uma eficiência elevada implica poucas perdas por dissipação.
• A potência dissipada no amplificador é limitada pela máxima temperatura da
junção Colector-Base (150º e 200º para Silício).
• Os transístores utilizados são transístores de potência e são necessários
cuidados especiais em relação às suas propriedades térmicas.
• O modelo de pequenos sinais nem sempre é aplicável.
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Classes de funcionamento
Classe A - A corrente flúi
durante todo o período do sinal
de entrada (ângulo de
condução do transístor 360º)
Classe B – A corrente flúi
durante aproximadamente meio
período do sinal de entrada
(ângulo de condução do
transístor ≈180º)
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Classes de funcionamento
Classe AB - A corrente flúi
durante mais de meio período
do sinal de entrada (ângulo de
condução do transístor entre
180º e 360º)
Classe C – A corrente flúi
durante menos de meio período
do sinal de entrada (ângulo de
condução do transístor inferior
a 180º e 360º). Neste caso é
necessário um circuito adicional
para recuperar o sinal
pretendido.
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Amplificador de classe A
O seguidor de emissor polarizado por Q2
tem:
IE1=I+iL.
A corrente de polarização I tem que ser maior
do que a maior corrente negativa para a
carga ou Q1 entra ao corte.
A equação de saída é:
Vo=vi-vBE1
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Amplificador de classe A
A figura mostra a característica
de transferência do circuito.
O limite inferior é dado pela
entrada de Q1 ao corte ou pelo
limite da polarização.
O valor de I≥|-VCC+VCE2sat|/RL
garante que a excursão do sinal
não fica limitada pela corrente
de polarização.
Característica de transferência do circuito
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Amplificador de classe A
Desprezando os valores VCEsat, se I
estiver correctamente escolhido a
saída pode variar entre ±VCC (a).
Se I for escolhida para permitir a
corrente máxima negativa de
VCC/RL obtém-se (c).
Em (d) está representada a potência
instantânea que é dada por
pD1=vCE1iC1
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Eficiência do amplificador de classe A
η=
A eficiência de um andar de saída é dada por:
Porms
Ps
Para o circuito, com uma entrada com forma de onda sinusoidal, Porms
(potência de saída eficaz) é dada por:
(Vp / 2 ) 2 Vp 2
onde Vp é o valor de pico da sinusóide.
Porms =
RL
=
2 RL
Não considerando a potência consumida pelos elementos de polarização, a
potência fornecida ao circuito é:
Ps = 2VCC I
Logo o rendimento é dado por:
O rendimento máximo é obtido quando Vp=VCC=IRL.
Nessa situação o rendimento é de 25%.
Vp 2
η=
4 IRLVCC
Dado que este valor é baixo (para evitar distorção) esta classe não é muito
utilizada em aplicações de potência
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Eficiência do amplificador de classe A
Considerando o circuito da figura a funcionar em classe A pode analisar-se a
relação de potência:
Ps = PD + Porms + PDC
onde Ps é a potência fornecida pela fonte de alimentação do circuito, PD é a
potência dissipada no transístor, Porms é a potência eficaz fornecida pelo
amplificador à carga e PDC é a potência DC dissipada nas resistências.
2
Vcc
VCC 2
VCC
2
PDC = I C R L = (
) .R L =
2 RL
4 RL
RL
a potência dissipada é:
PD = Ps − Porms − PDC
o seu valor máximo será obtido quando Porms for nula.
2
PDmáx = Ps − PDC
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2
vo
vi
2
V
V
V
= CC − CC = CC
2 RL 4 RL
4RL
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Amplificador de classe B
• Com vi=0 nenhum dos transístores conduz e vo é
nulo (a tensão de polarização VBE é nula).
• Se vi excede 0.5V QN conduz e fornece corrente
à carga, enquanto QP está ao corte.
• Se vi baixa de -0.5V QP conduz e QN está ao
corte. Em ambos os casos o circuito funciona
como um seguidor de emissor.
vo=vi-vBE
O circuito funciona como um push-pull: QN fornece
corrente à carga e QP recebe corrente da carga.
Os transístores NPN e PNP são complementares
(parâmetros semelhantes).
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Amplificador de classe B
A figura mostra a característica de transferência do circuito.
• Existe uma gama de valores de vi em torno de zero para os quais ambos os
transístores estão ao corte.
• Esta situação dá origem à distorção de crossover que, num amplificador de
áudio implica ruído.
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Amplificador de classe B
Influência da situação de não condução de ambos os transístores na saída do
amplificador.
Distorção de crossover.
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Eficiência do amplificador de classe B
Ignorando o efeito da distorção de crossover, a potência eficaz entregue à
carga é:
2
2
Porms =
(Vp / 2 )
Vp
=
RL
2 RL
A potência fornecida ao circuito por cada uma das fontes de tensão é dada
por:
onde Im é a corrente média do circuito.
Ps = VCC I m
Como neste circuito quando não há condução dos transístores não há
consumo, é necessário calcular o valor médio da corrente a partir da forma
de onda sinusoidal, sendo que cada transístor apenas conduz em menos de
meio ciclo.
π
1
Im =
I p senα .dα
∫
2π 0
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Ip
1
π
Im =
I p [cos α ]0 =
2π
π
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Eficiência do amplificador de classe B
Onde Ip=Vp/RL.
Portanto para as duas fontes obtém-se:
sendo o valor máximo fornecido pelas fontes obtido
2 Vp
Ps =
VCC
π RL
Psmáx
quando Vp=VCC de:
η=
A eficiência máxima, obtida quando Vp=VCC, é de:
η máx =
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2
Porms
πVp
=
Ps
4VCC
e a eficiência do circuito em classe B é dada por:
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2 VCC
=
π RL
π
4
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≅ 78,5%
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Dissipação de potência no amplificador de classe B
2 Vp
Vp 2
PD =
VCC −
π RL
2 RL
PS=PD+Porms ou PD=PS-Porms ou seja:
Cada transístor dissipa metade da potência.
Para que o circuito funcione em segurança é necessário calcular a potência
máxima a que cada um pode estar sujeito.
O máximo da expressão de PD pode ser calculado através do ponto onde a
derivada se anula:
∂PD 2VCC Vp
=
−
∂V p
πRL RL
Igualando a zero obtém-se:
Vp 2VCC
=
RL
πRL
Vp =
2VCC
π
Portanto quando Vp toma este valor os transístores estão a dissipar a
máxima potência.
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Dissipação de potência no amplificador de classe B
Substituindo o valor anterior na expressão de PD obtém-se o seu valor
2
2
máximo:
ou por transístor:
VCC
2VCC
PDmáx = 2
PDmáx = 2
π RL
π RL
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Outras configurações para o amplificador de classe B
Redução de crossover.
É possível obter redução de crossover através de realimentação. Neste caso
a zona em que nenhum transístor conduz é reduzida para ±0.5V/Ao, sendo Ao
o ganho DC do amplificador operacional.
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Outras configurações para o amplificador de classe B
Funcionamento com uma única fonte de alimentação.
É possível utilizar amplificadores em classe B com uma única fonte de
alimentação. O funcionamento é idêntico sendo as fórmulas anteriores
válidas desde que se considere a alimentação simples como 2VCC.
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Amplificador de classe AB
A distorção de crossover pode ser eliminada através da polarização adequada
dos transístores. Basta garantir que a tensão de polarização é suficiente para
manter sempre um transístor na zona activa directa.
Um amplificador nesta classe funciona de forma muito semelhante ao de
classe B, com a diferença de que para vi
pequeno ambos os transístores
conduzem e que, em termos de potência,
em classe AB há sempre alguma
dissipação nos transístores.
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Amplificador de classe AB
A figura mostra a característica de transferência do circuito.
A distorção de crossover foi eliminada.
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Polarização do amplificador de classe AB
A figura mostra a polarização dos transístores em classe AB utilizando díodos
ou transístores ligados como díodos. Neste último caso obtém-se junções
com características muito semelhantes.
Se os díodos estiverem em contacto
térmico com os transístores pode-se obter
uma compensação de temperatura entre
as tensões de polarização e os VBEs dos
transístores.
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Polarização do amplificador de classe AB
Um aumento de temperatura dá origem a um decréscimo VBE de cerca de
2mV/ºC se a corrente de colector for mantida constante.
Se VBE for mantido constante (sem compensação de temperatura) a corrente
de colector aumenta. O aumento da corrente de colector leva a um aumento
da dissipação de potência que por sua vez leva a um aumento da corrente de
colector.
Existe aqui um efeito de realimentação positiva que pode dar origem a um
fenómeno chamado thermal runaway, que pode levar à destruição do
transístor.
A utilização do contacto térmico e a escolha dos díodos apropriados previne
este problema.
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Polarização do amplificador de classe AB – Multiplicador de VBE
Uma forma alternativa de polarização está representada na figura.
Desprezando a corrente de base de Q1, a
corrente em R1 e R2 é a mesma:
VBE1
IR =
R1
então VBB é:
VBB = I R ( R1 + R2 ) = VBE1 (1 +
R2
)
R1
ou seja VBE é multiplicado por um factor
que pode ser escolhido para polarizar o
circuito como for pretendido.
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Electrónica II – Amplificadores de Potência
Polarização do amplificador de classe AB – Multiplicador de VBE
Outra forma de polarização passa por colocar um potenciómetro para
estabelecer a corrente de colector pretendida.
Esta solução também pode ser utilizada
para obter estabilização térmica, em
especial se R1=R2 e Q1 estiver em contacto
térmico com os outros transístores.
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Transístores de potência
Os transístores de potência dissipam valores elevados de potência que é
convertida em calor, fazendo subir a temperatura da junção.
No entanto a junção não deverá exceder um valor máximo TJmax, caso
contrário o transístor poderá ficar danificado.
Para dispositivos em silício TJmax anda na gama de 150ºC a 200ºC.
Um transístor em estado estacionário a dissipar PD watts tem uma variação
da temperatura em relação ao ambiente de:
TJ − TA = θ JA PD
onde TJ é a temperatura da junção, TA é a temperatura ambiente e θJA é a
resistência térmica entre a junção e o ambiente.
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Transístores de potência
A relação descrita pela equação anterior é idêntica à lei de Ohm como esta
representado na figura.
A dissipação de potência corresponde à corrente, a resistência térmica à
resistência e a diferença de temperatura à diferença de potencial.
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Dissipação de potência em função da temperatura
A especificação fornecida pelo fabricante para um transístor de potência inclui
normalmente TJmax à temperatura ambiente (tipicamente 25ºC) e a resistência
térmica.
A figura mostra o comportamento da potência dissipada máxima em função
da temperatura ambiente.
No caso de a temperatura de
funcionamento ser superior a máxima
potência dissipada deve ser calculada a
partir da expressão:
PDmáx =
TJ max − T A
θ JA
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Encapsulamento do transístor e dissipação de calor
A resistência térmica entre a junção e o ambiente pode ser expressa da
seguinte forma:
θ JA = θ JC + θ CA
onde θJC é a resistência térmica entre a junção e o encapsulamento e θCA é a
resistência térmica entre o encapsulamento e ambiente.
O fabricante pode reduzir θJC colocando o transístor num encapsulamento
metálico de grandes dimensões e colocando o colector em contacto com este.
O projectista não tem controlo sobre θJC mas pode ter sobre θCA. Esta
resistência pode ser reduzida, facilitando a transferência de calor para o
ambiente, por exemplo aparafusando o transístor ao chassis ou a uma placa
metálica que funcione como dissipador.
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Encapsulamento do transístor e dissipação de calor
Se um dissipador de calor for utilizado então a resistência térmica entre o
encapsulamento e o ambiente é dado por:
θ CA = θ CS + θ SA
onde θCS é a resistência térmica entre o encapsulamento e o dissipador e θSA
é a resistência térmica entre o dissipador e o ambiente.
θCA pode ser tornado suficientemente baixo em função da escolha do
dissipador. O equivalente eléctrico do processo de condução térmica está
representado na figura.
E é dado pela equação:
TJ − T A = PD (θ JC + θ CS + θ SA )
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Encapsulamento do transístor e dissipação de calor
O fabricante fornece habitualmente informação sobre a variação de PDmax em
função de TC e o valor de θJC.
Para cada transístor a máxima dissipação de potência a TC0 é muito superior
à obtida para TA0.
Normalmente tem-se TC0≤TC≤TJmax e a dissipação de potência máxima é
obtida para TJ=TJmax.
PDmáx =
TJ max − TC
θ JC
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Variações da configuração de Classe AB
Existem diversas variações na configuração da classe AB.
A figura mostra a utilização de dispositivos
compostos, neste caso pares Darlington.
Neste caso existe uma queda de tensão
adicional de VBE que tem de ser
compensada pelo multiplicador de VBE.
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Variações da configuração de Classe AB
Protecção de curto circuito.
O circuito apresenta protecção de curto
circuito para a situação em que o andar
amplificador está a fornecer corrente.
A resistência RE1 é escolhida de forma que,
se a corrente de Q1 for demasiado elevada, a
queda de tensão VRE1 será suficiente para
colocar Q5 à condução.
Nesta situação uma grande parte da corrente
de base de Q1 será desviada para o colector
de Q5, fazendo Q1 regressar a uma corrente
mais baixa.
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Variações da configuração de Classe AB
Protecção térmica.
O circuito apresenta protecção térmica de forma a ligar
um determinado transístor no caso de a temperatura
de referência ser excedida.
O transístor Q2 está normalmente desligado. Quando a
temperatura sobe, a combinação do coeficiente
positivo de temperatura do díodo zener e o coeficiente
negativo de temperatura de VBE1 faz subir a tensão no
emissor de Q1 e na base de Q2.
Se o circuito estiver bem configurado, nesta situação
Q2 entra em funcionamento absorvendo através do seu
colector a corrente de polarização do amplificador e
desligando-o.
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