Classes de Amplificadores de Potência

Classes de Amplificadores de Potência

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Observa-se que a eficiência é máxima para . Pode-se mostrar então que:

(Eq. 41)

Este valor é uma possibilidade teórica, mas para ser alcançado teríamos picos de corrente tendendo para o infinito, o que é razoável. Na prática, os amplificadores transistorizados em Classe C para RF são projetados com eficiência em torno de 60%.

2.5 Amplificador Classe D

Um amplificador Classe D é projetado para operar com sinais digitais ou pulsados. Uma eficiência além de 90% é obtida utilizando esse tipo de circuito, tornando-os bastante interessante para amplificação de potência. É necessário, entretanto, converter qualquer sinal de entrada em uma forma de onda pulsada antes de utilizá-lo para fornecer uma grande potência à carga e convertê-lo novamente a um tipo senoidal para recuperar o sinal original. A Figura 16 mostra como um sinal senoidal pode ser convertido em um sinal pulsado, utilizando uma forma de onda triangular. Os dois sinais são aplicados a um comparador (amp-op), produzindo na saída o sinal pulsado desejado. Embora a letra D seja utilizada para descrever a operação seguinte à classe C, também poderia ser associada à palavra “Digital”, pois é essa a natureza dos sinais envolvidos na operação desse tipo de amplificador.

Figura 16 – Amostragem de uma Forma de Onda Senoidal para Produzir Forma de Onda Digital

A Figura 17 mostra um diagrama de blocos da unidade necessária para amplificar o sinal Classe D e então convertê-lo de volta a um sinal senoidal utilizando um filtro passa-baixa. Como os transistores do amplificador usado para gerar o sinal de saída estão basicamente ligados ou desligados, eles são percorridos por corrente apenas quando estão ligados, apresentando uma pequena perda de potência devido à baixa tensão utilizada. Como a maior parte da potência aplicada ao amplificador é transferida para a carga, a eficiência do circuito é geralmente muito alta. Dispositivos de potência MOSFET tornaram-se bastante conhecidos como dispositivos acionadores para amplificadores Classe D.

Figura 17 – Diagrama de Blocos do Amplificador Classe D

2.6 Distorção do Amplificador

Um sinal senoidal puro de uma única freqüência na qual a tensão varia positiva e negativamente. Um sinal que varia menos que um ciclo completo de 360º é considerado como tendo distorção. Um amplificador ideal é capaz de amplificar um sinal senoidal puro, produzindo uma forma de onda também senoidal. Quando ocorre a distorção, pode acontecer porque as características do dispositivo são não-lineares, ocorrendo então distorção não-linear ou de amplitude. Isso é possível com todas as classes de operação de amplificadores. A distorção pode ocorrer também porque os elementos do circuito e dispositivos respondem a um sinal de entrada de forma diferente nas várias freqüências, sendo esse caso chamado de distorção de freqüência.

Uma das técnicas para descrever a distorção utiliza a análise de Fourier. Esse método descreve qualquer forma de onda periódica em termos dos componentes de freqüência (fundamental e múltiplo inteiro dela). Esses componentes são chamados de componentes harmônicos ou apenas harmônicos. Por exemplo, um sinal original de 1.000 Hz poderia resultar, após a distorção, em um sinal com componentes de freqüência de 1 kHz e componentes harmônicos de 2 kHz (2 x 1 kHz), 3 kHz (1 kHz) e assim por diante. A freqüência original de 1 kHz é chamada de freqüência fundamental, cujos múltiplos inteiros são os harmônicos; o componente de 2 kHz é, portanto, chamado de segundo harmônico, o componente de 3 kHz é o terceiro harmônico e assim sucessivamente. A freqüência fundamental não é considerada um harmônico. A análise de Fourier não considera freqüências harmônicas fracionárias, somente múltiplos inteiros da fundamental.

2.6.1 Distorção Harmônica

Considerando que um sinal possui distorção harmônica quando há componentes harmônicos de freqüência (e não simplesmente o componente fundamental). Se a freqüência fundamental tiver uma amplitude A1, o n-ésimo componente harmônico pode ser definido como:

(Eq. 42)

O componente fundamental é normalmente maior do que qualquer componente harmônico.

2.6.2 Distorção Harmônica Total

Quando um sinal de saída possui vários componentes de distorção harmônica, o sinal pode ser uma distorção harmônica total baseada nos elementos individuais combinados pela relação da seguinte Equação:

(Eq. 43)

onde THD é a distorção harmônica total.

Um instrumento como o analisador de espectro permitiria medir os harmônicos presentes no sinal, fornecendo uma amostra dos componentes individuais de um sinal e vários de seus harmônicos em uma tela. Da mesma maneira, um instrumento analisador de onda permite medidas mais exatas dos componentes harmônicos de um sinal distorcido filtrando cada um deles e fornecendo uma leitura. De qualquer maneira, a técnica de considerar qualquer sinal distorcido como contendo um componente fundamental e seus componentes harmônicos é pratica e útil. Para um amplificador em Classe AB ou Classe B, a distorção deve ocorrer principalmente nos harmônicos pares, dos quais o componente de segundo harmônico é a maior. Portanto, embora o sinal distorcido contenha, teoricamente, todos os componentes harmônicos a partir do segundo harmônico, o mais crítico nas classes apresentadas anteriormente é o segundo harmônico.

2.6.3 Potência de Sinal com Distorção

Quando ocorre distorção, a potência de saída calculada para o sinal não-distorcido não é mais correta. Quando há distorção, a potência de saída liberada para o resistor de carga RL devido ao componente fundamental do sinal distorcido é:

(Eq. 44)

A potência total devida a todos os componentes harmônicos do sinal distorcido pode ser calculada utilizando:

(Eq. 45)

A potência total também pode ser escrita em termos de distorção harmônica total:

(Eq. 46)

2.6.4 Descrição Gráfica de Componentes Harmônicos Distorcidos

Uma forma de onda distorcida, tal como a que ocorre na operação Classe B, pode ser representada, se utilizarmos a análise de Fourier, por uma fundamental com componentes harmônicos. A Figura 18(a) mostra um semiciclo positivo resultante da operação de um amplificador Classe B. Utilizando técnicas de análise de Fourier, o componente fundamental do sinal distorcido pode ser obtido conforme mostra a Figura 18(b). Da mesma maneira, os componentes de segundo e terceiro harmônicos podem ser obtidos, e são mostrados nas Figuras 18(c) e 18(d), respectivamente. Utilizando a técnica de Fourier, a forma de onda distorcida pode ser construída pela adição dos componentes fundamental e harmônicos, como mostra a Figura 18(e). Em geral, qualquer forma de onda periódica distorcida pode ser representada pela adição de um componente fundamental e todos os componentes harmônicos, cada qual com diferentes amplitudes e ângulos de fase.

Figura 18 – Representação Gráfica de um Sinal Distorcido Através do uso de Componentes Harmônicos

2.6.5 Distorção de Crossover

Tomemos como exemplo o circuito da Figura 19(a). Para uma fonte de sinal , haverá condução do transistor NPN quando e no transistor PNP quando . Quando o transistor NPN está em condução, o PNP encontra-se cortado, pois a tensão entre base e emissor é maior que . O mesmo ocorre com o transistor NPN quando o PNP está em condução, pois a tensão entre base e emissor é menor que . Portanto, os dois transistores trabalhando em conjunto permitem ao circuito operar nos ciclos positivo e negativo do sinal, conforme a Figura 19(b). Podemos observar um desnível no sinal de saída, tanto no ciclo positivo quanto no negativo, que corresponde a e . Isto é chamado de crossover e provoca distorção harmônica.

Figura 19 – Sinal de Saída do Estágio Push-Pull: a) Com Crossover e b) Sem Crossover

O crossover pode ser eliminado com o uso de fortes realimentações negativas ou através de pré-polarização do estágio de saída, levando o amplificador a operar em Classe AB. Com este procedimento obtemos baixíssima THD, conforme a Figura 19(b).

O circuito da Figura 20 representa a forma esquemática para compensação do crossover.

Figura 20 – Compensação do Crossover

3 APLICAÇÕES

Os amplificadores de potência são largamente usados em componentes de áudio-receptores de rádio e televisão, fonógrafos e toca-fitas, sistemas estéreo e de alta fidelidade, equipamentos de estúdios de gravação, etc. Nessas aplicações, a carga é geralmente um alto-falante, que requer uma potência considerável para converter os sinais elétricos em ondas sonoras. Os amplificadores de potência são usados também em “sistemas de controle” eletromecânico para acionamento de motores elétricos. Podemos citar como exemplo os acionadores de disco e de fitas (drives), braços de robô, pilotos automáticos, antenas giratórias, bombas e válvulas elétricas, para todos os tipos de controles de processos.

4 EXERCÍCIOS RESOLVIDOS

4.1 Calcule a potência de entrada, de saída e a eficiência do circuito do amplificador Classe A abaixo, sabendo que o sinal de entrada resulta em uma corrente de base de 5mA rms.

RESOLUÇÃO:

Cálculo da corrente de pico na base:

Cálculo da corrente de polarização de base:

Cálculo da corrente de polarização no coletor:

Encontrando a tensão de polarização entre coletor e emissor:

Definindo a corrente de pico no coletor:

  1. A potência de entrada cc é então assim definida:

  1. A potência de saída pode ser definida pela seguinte equação:

  1. A eficiência de potência do amplificador pode ser calculada pela equação:

4.2 Para um amplificador de Classe B que forneça um sinal de 20V de pico para uma carga de 16Ω (alto falante) e uma fonte de alimentação de Vcc = 30V, determine a potência de entrada, a potência de saída e a eficiência do circuito.

RESOLUÇÃO:

Um sinal de 20V de pico através de uma carga de 16Ω fornece uma corrente de pico na carga de:

Com a corrente cc da carga podemos encontrar a corrente cc da fonte:

A potência de entrada liberada pela fonte de tensão é:

A potência de saída liberada para a carga é:

Para uma eficiência resultante de:

4.3 Se a tensão de entrada do amplificador de potência classe B da figura abaixo for 8 V rms, calcule:

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