Classes de Amplificadores de Potência

Classes de Amplificadores de Potência

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Figura 08 – Amplificador Classe B com Compensação para VBE

2.2.1 Eficiência do Amplificador em Classe B

Podemos calcular a potência média da fonte e da carga considerando que a corrente de coletor é a mesma que circula por RL. Desta forma, temos que:

(Eq. 18)

(Eq. 19)

De posse das Equações 18 e 19 obtemos a eficiência:

(Eq. 20)

Considerando o caso ideal, onde a tensão de pico na saída pode chegar a VCC, temos para eficiência máxima teórica do amplificador Classe B:

(Eq. 21)

Entretanto, devemos considerar a possibilidade de Vm < VCC, devido ao VCEsate a outros fatores.

Ao contrário dos amplificadores Classe A, no Classe B a potência dissipada pela fonte é dependente do nível máximo da saída. É interessante observarmos que a potência média dissipada PQno transistor é dada pela Equação 22, e cujo gráfico é o da Figura 09.

(Eq. 22)

Derivando a Equação 22 em relação a Vme igualando a zero, concluímos que a potência máxima dissipada no transistor ocorre para e com valor dado pela Equação 23.

(Eq. 23)

2.3 Amplificador Classe AB

O amplificador Classe B deve ser compensado para queda de VBE. Isto é feito simplesmente colocando uma fonte DC de valor VBEna base do transistor. Entretanto, cada transistor possui um VBEligeiramente diferente e que varia com a temperatura. Torna-se difícil fazer esta compensação com exatidão. Normalmente, aplicamos uma fonte de tensão na base, ligeiramente maior que VBE, para estabelecer uma pequena corrente de polarização no transistor. Esta corrente não é suficiente para colocá-lo em Classe A, mas garante a compensação de VBE. Este tipo de operação é chamado Classe AB, ou amplificadores push-pull. Os amplificadores push-pull são compostos por dois circuitos Classe B em oposição de fase. Enquanto um amplificador conduz no ciclo positivo, o outro o faz no ciclo negativo. Isto ajuda a reduzir drasticamente a THD.

A configuração mais empregada atualmente é o estágio de saída com par complementar, que utiliza transistores NPN e PNP, conforme a Figura 09.

Figura 09 – Estágio de Saída em Push-Pull

A configuração da Figura 09 emprega duas fontes simétricas. Entretanto, podemos implementar o circuito com fonte unipolar, ao custo de um capacitor de desacoplamento a mais, conforme a Figura 10. O capacitor C é calculado pela Equação 24, segundo a especificação de freqüência de corte inferior fCI, onde roé uma estimativa da resistência de saída dos transistores. Normalmente, roé desprezado.

(Eq. 24)

Figura 10 – Estágio de Saída em Push-Pull, com Fonte Unipolar

2.4 Amplificador Classe C

Os amplificadores em Classe C são empregados nos estágios de saída de potência dos circuitos de rádio freqüência (RF), devido à sua elevada eficiência. A Figura 11(a) representa um circuito básico, onde podemos observar que a base do transistor Q está polarizada com uma queda de tensão negativa . Desta forma, só haverá corrente no coletor quando a tensão de entrada ultrapassar , definindo um ângulo de condução menor que 180º, conforme observado na Figura 11(b). Ajustando o nível de , podemos controlar o ângulo de condução.

É importante observar que a forma de onda de corrente de coletor é extremamente distorcida, possuindo uma composição harmônica muito extensa. Isso provoca a repetição do sinal ao longo da freqüência, conforme a Figura 12. Isto não é conveniente, pois a carga do amplificador em Classe C é sintonizada e adequadamente projetada para eliminar as imagens do sinal. É importante que a largura de banda do sinal seja limitada a um valor para o qual não haja sobreposição de espectro.

Esse tipo de amplificador é usado para sinais de banda estreita, normalmente sinais modulados em amplitude (AM) ou freqüência (FM), onde a energia encontra-se em torno de uma freqüência portadora.

Figura 11 – Amplificador Classe C: a) Circuito Básico e b) Forma de Onda

Figura 12 – Composição Espectral do Sinal de Saída

2.4.1 Eficiência do Amplificador em Classe C

Para o cálculo de eficiência, considera-se o sinal de entrada senoidal e um ângulo de condução para o transistor, de forma que a corrente de coletor comporta-se como o gráfico da Figura 13. Podemos verificar que a corrente, observada em um ciclo de repetição, é positiva somente no intervalo e zero para e . A parte negativa do gráfico serve somente para facilitar a visualização da forma de onda de corrente. A corrente do coletor é descrita pela Equação:

(Eq. 25)

onde:

(Eq. 26)

(Eq. 27)

Figura 13 – Corrente de Coletor no Amplificador Classe C

Representandoem série de Fourier, e lembrando que para funções pares existem somente os termos em cosseno, temos:

(Eq. 28)

onde:

(Eq. 29)

Sendo a carga sintonizada em , e com seletividade elevada, podemos considerar que a tensão AC no coletor depende somente da impedância e da componente de em , ou seja:

(Eq. 30)

Portanto, necessita-se somente dos termos e do sistema de Equação 29, ou seja:

(Eq. 31)

e

(Eq. 32)

A Equação 32 obriga que a tensão AC no coletor seja, em primeira análise, puramente senoidal e com amplitude máxima igual a , conforme a Figura14:

Figura 14 – Excursão Máxima de Sinal no Coletor

A potência média fornecida pela fonte ao circuito é:

(Eq. 33)

Chamando a componente AC da corrente de coletor, ou seja:

(Eq. 34)

A potência média que o circuito entrega à carga, na freqüência , é:

(Eq. 35)

ondeé a resistênciarefletida para o primário do transformador.

Concluímos facilmente que a amplitude da tensão AC no coletor é dada por:

(Eq. 36)

Aplicando as Equações 36 e 32 em 35, obtemos:

(Eq. 37)

A eficiência é dada por:

(Eq. 38)

Considerando que a amplitude máxima da tensão AC no coletor seja , pelas Equações 36 e 38 temos que:

(Eq. 39)

(Eq. 40)

A Figura 15,a seguir, apresenta o gráfico da eficiência para .

Figura 15 – Curva de Eficiência do Amplificador Classe C

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