Classes de Amplificadores de Potência

Classes de Amplificadores de Potência

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1 INTRODUÇÃO

Um amplificador recebe um sinal de algum transdutor ou de outra fonte de entrada e fornece uma versão maior desse sinal para um dispositivo de saída ou para outro estágio amplificador. Um sinal de um transdutor na entrada em geral é pequeno (alguns milivolts de um tape-deck ou CD, ou alguns microvolts de uma antena) e precisa ser suficientemente amplificado para acionar um dispositivo de saída (alto-falante ou qualquer outro dispositivo de potência). Em amplificadores de pequenos sinais, os fatores principais geralmente são a linearidade na amplificação e a amplitude de ganho. Uma vez que os sinais de tensão e corrente são pequenos em um amplificador de pequenos sinais, a capacidade de fornecimento de potência e a eficácia têm pouca importância. Um amplificador de tensão fornece amplificação principalmente para aumentar a tensão do sinal de entrada. Por outro lado, amplificadores de grandes sinais ou de potência fornecem principalmente potência suficiente para uma carga de saída para acionar um alto-falante ou outro dispositivo de potência, normalmente na faixa de alguns watts a dezenas de watts.

Um método utilizado para classificar amplificadores é o de “classes”. Classes de amplificadores basicamente indicam quanto o sinal de saída varia, sobre um ciclo de operação, para um ciclo completo do sinal de entrada. Os amplificadores de potência de um modo geral podem ser divididos em cinco classes:

  • Classe A;

  • Classe B;

  • Classe AB;

  • Classe C;

  • Classe D.

No amplificador Classe A, o sinal de saída varia por um ciclo completo de 360º. A Figura 01 mostra que para isso é necessário que o ponto Q seja polarizado em um nível que permita que o sinal varie para cima e para baixo sem atingir uma tensão suficiente para ser restringida pelo valor da fonte de tensão ou desça a um ponto suficientemente baixo para atingir o valor inferior da fonte, ou 0 V.

Figura 01 – Amplificador Classe A

Nos amplificadores Classe B, um circuito fornece um sinal de saída que varia sobre metade do ciclo de entrada, ou por 180º de sinal, Figura 02. Portanto, o ponto de polarização DC está em 0 V, e a saída varia, então, a partir desse ponto, durante meio ciclo, obviamente, a saída não é uma reprodução fiel da entrada se apenas meio ciclo está presente. São necessários dois amplificadores Classe B – um para fornecer saída durante o semiciclo positivo e outro para operar no semiciclo de saída negativo. A combinação dos semiciclos fornece então uma saída para os 360º completos de operação. Esse tipo de conexão realiza a operação chamada de push-pull. A operação Classe B por si só gera um sinal de saída muito distorcido, pois o sinal de entrada é reproduzido na saída somente para 180º da oscilação do sinal de saída.

Figura 02 – Amplificador Classe B

Na Classe AB, um amplificador pode ser polarizado em um valor DC acima do valor correspondente à corrente zero de base da Classe B e acima da metade do valor da fonte de tensão da Classe A. Essa condição de polarização é empregada em amplificadores Classe AB. A operação Classe AB requer ainda uma conexão push-pull para atingir um ciclo de saída completo, porém o valor e polarização DC geralmente estão muito próximos do valor zero de corrente de base para uma melhor eficácia de potência. Para a operação Classe AB, a oscilação do sinal de saída ocorre entre 180º e 360º e não é uma operação Classe A nem Classe B.

A saída de um amplificador Classe C é polarizada para uma operação em menos de 180º do ciclo e opera apenas com circuitos sintonizados (ressonantes), os quais fornecem um ciclo completo de operação para a freqüência sintonizada ou ressonante. Portanto, essa classe de operação é utilizada em amplificações especiais de circuitos sintonizados, como os de rádio ou de comunicações.

Amplificadores Classe D é uma forma de amplificação para sinais pulsados (digitais), que permanecem ligados por um curto intervalo de tempo e desligados durante um longo intervalo. A utilização de técnicas digitais possibilita a obtenção de um sinal que varia sobre um ciclo completo (utilizando circuitos de amostragem e retenção) para recriar a saída a partir de vários trechos do sinal de entrada. A principal vantagem da operação Classe D é que o amplificador está ligado durante curtos intervalos, e a eficiência global pode, na prática, ser muito alta.

Muitos parâmetros foram definidos para caracterização dos amplificadores, cujos principais são: o ganho de tensão (ou corrente); a freqüência de corte; a potência de saída, o slew-rate; a distorção harmônica total (THD); a distorção por intermodulação e a eficiência. O parâmetro mais utilizado para compreender melhor as diferenças entre os amplificadores é comparar o grau de eficiência de potência entre as várias classes. A eficiência de potência, definida como a razão entre a potência de saída e a de entrada, melhora da Classe A para a Classe D. Em termos gerais, o amplificador Classe A, com polarização DC na metade do valor da fonte de tensão, utiliza muita potência para manter a polarização mesmo sem nenhum sinal de entrada aplicado. O resultado é uma baixa eficiência, principalmente com sinais pequenos de entrada, quando pouca potência CA é liberada para a carga. Na verdade, a eficiência máxima de um circuito Classe A, que ocorre para a maior oscilação de tensão e corrente de saída, é de somente 25% para uma conexão de carga direta ou realimentada em série, e 50% para uma conexão utilizando indutores e capacitores. É possível mostrar que a operação Classe B, sem nenhuma potência de polarização DC para o caso de ausência de sinal de entrada, fornece uma eficiência máxima que chega a 78,5%. A operação Classe D pode obter uma eficiência de potência maior que 90% e fornece a operação mais eficiente de todas as classes de operação. A Classe C geralmente não é utilizada para transferir grandes quantidades de potência, portanto não foi possível medir a sua eficiência. Como a Classe AB situa-se entre a Classe A e B, em termos de polarização ela mantém sua eficiência entre 25% (ou 50%) e 78,5%. A Tabela 01 fornece uma comparação relativa da operação do ciclo de saída e eficiência de potência para os diversos tipos de classes.

COMPARAÇÃO DE CLASSES DE AMPLIFICADORES

Classes

A

AB

B

C

D

Ciclo de Operação

360º

180 a 360º

180º

Menor que 180º

Operação por pulso

Eficiência de Potência

25% a 50%

Entre 25% (50%) e 78,5%

78,5%

––

Normalmente acima de 90%

Tabela 01

2 CARACTERÍSTICAS E OPERAÇÃO

2.1 Amplificador Classe A

Tomando como exemplo o circuito da Figura 03, onde Vin(t) é uma fonte senoidal. A classe de operação depende da região de trabalho do transistor.

Figura 03 – Amplificador de Tensão

Quando o transistor está sempre na região ativa, o amplificador opera em Classe A e a corrente de coletor comporta-se como na Figura 04.

Figura 04 – Operação em Classe A

2.1.1 Eficiência do Amplificador em Classe A

Sabemos que:

(Eq.01)

e podendo considerar que a tensão de saída é, de forma geral, dada por:

(Eq. 02)

A corrente que circula pela fonte de tensão é a mesma do coletor, e pode ser calculada por:

(Eq. 03)

e a potência instantânea entregue pela fonte é:

(Eq. 04)

Podemos calcular a potência média pelo valor médio da Equação 04, ou seja:

(Eq. 05)

A potência instantânea entregue à carga RL é dada por:

(Eq. 06)

e cujo valor médio é

(Eq. 07)

Da Equação 07, nota-se que a parcela de potência relacionada ao sinal de entrada (por exemplo, o som) é e, portanto, podemos considerar que efetivamente a potência média útil na carga é:

(Eq. 08)

Considerando também que o circuito opera com excursão de saída simétrica e máxima amplitude de sinal. Desta forma, temos que a tensão máxima de saída é e a mínima é , ou seja:

(Eq. 09)

Pela solução do sistema de Equações 09, obtêm-se

(Eq. 10)

Substituindo a Equação 10 nas Equações 05 e 08, obtêm-se:

(Eq. 11)

Finalmente, temos para a eficiência máxima teórica do amplificador Classe A a expressão:

(Eq. 12)

Quando é suficientemente pequeno para ser desprezado, a Equação 12 reduz-se a . Isto significa que somente 25% da potência entregue pela fonte é considerada útil. Se fossemos projetar um amplificador de áudio para 100 W de saída, desperdiçaríamos 300 W sob forma de calor no transistor. Uma forma alternativa de implementação de um amplificador Classe A com eficiência superior pode ser vista na Figura 05. O indutor L1 e o capacitor C1 são suficientemente elevados para que nas freqüências de trabalho L1 seja um circuito aberto e C1 um curto-circuito. A tensão DC armazenada no capacitor é VCC, pois o indutor não oferece resistência à passagem da corrente contínua. Temos então que a tensão de saída no coletor VC(t) está deslocada de VCCem relação Vo(t). Assumindo que VCEsatseja zero, VC(t) pode ser no mínimo zero, obrigando uma excursão de sinal negativo igual a VCC. Portanto, para excursão de sinal simétrica, devemos ter:

(Eq.13)

Com o máximo de tensão na saída, o transistor está cortado e toda corrente que passa pelo indutor é direcionada para a carga. Sabemos que o indutor, neste caso, funciona como fonte de corrente, e sua corrente é a própria VCq. Portanto, temos que:

(Eq. 14)

Utilizando as Equações 13 e 14, podemos calcular as potências médias entregue pela fonte e a consumida pela carga, ou seja:

(Eq. 15)

(Eq. 16)

A eficiência é obtida das Equações 15 e 16, ou seja:

(Eq. 17)

Este valor é consideravelmente melhor que o anterior, mas a implementação do indutor não é prática. Este circuito dificilmente é usado para grandes potências de saída.

Figura 05 – Amplificador Classe A com Indutor

Um fato interessante que podemos observar é que a tensão no coletor VC(t) pode ser mais elevada que a da fonte. Isto é possível, pois o indutor atua como fonte de corrente e acumula energia.

2.2 Amplificador Classe B

Considere o seguidor de emissor da Figura 06. O transistor não possui polarização DC, estando a base conectada diretamente à fonte. Somente quando Vin(t) exceder a tensão de junção VBE, haverá corrente de coletor e tensão de saída, conforme a Figura 07.

Figura 06 – Amplificador Classe B

Figura 07 – Corrente e Tensão na Carga dão Amplificador Classe B

Podemos observar que somente o ciclo positivo do sinal de entrada é aplicado à carga, e também com desconto de VBE. A queda de VBEpode ser compensada com o circuito da Figura 08.

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