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resistência CC do enrolamento) e será ignorada nesse cálculo. Logo, a única perda de potência considerada aqui é aquela dissipada pelo transistor de potência e é calculada por PQ = Pi(CC) - Po CA)( (12.15) onde PQ é a potência dissipada em forma de calor. Embora a equação seja simples, ela deve ser considerada quando utilizamos um amplificador classe A. A quantidade de potência dissipada pelo transistor é a diferença entre a drenada da fonte CC (determinada pelo ponto de pola- rização) e a quantidade entregue à carga CA. Quando o sinal de entrada é muito pequeno, com uma potência CA muito pequena entregue para a carga, a potência máxima é dissipada pelo transistor. Quando o sinal de entrada é gran- de, assim como a potência entregue para a carga, menos potência é dissipada pelo transistor. Em outras palavras, o transistor de um amplificador classe A tem que trabalhar “pesado” (dissipar a maior parte da potência) quando a carga estiver desconectada do amplificador, e o transistor dissipa a mínima quantidade de potência quando a carga estiver drenando a máxima potência possível do circuito. EXEmplo 12.5 Para o circuito da Figura 12.10 e os resultados do Exem- plo 12.4, calcule a potência de entrada CC, a potência dissipada pelo transistor e a eficiência do circuito para o sinal de entrada do Exemplo 12.4. solução: Equação 12.14: Pi(CC) = VCCICQ = (10 V)(140 mA) = 1,4 W Equação 12.15: PQ = Pi(CC) – Po(CA) = 1,4 W – 0,477 W = 0,92 W A eficiência do amplificador é, então, % h = Po(CA) Pi(CC) × 100% = 0,477 W 1,4 W × 100% = 34,1% Máxima eficiência teórica Para um amplificador classe A acoplado a transformador, a máxima eficiência teórica atinge 50%. Com base nos sinais obtidos utilizando o amplificador, a eficiência pode ser escrita por: % h = 50a VCEmáx - VCEmín VCEmáx + VCEmín b 2 % (12.16) Quanto maior o valor de VCEmáx e menor o valor de VCEmín, mais próxima fica a eficiência do limite teórico de 50%. EXEmplo 12.6 Calcule a eficiência do amplificador classe A acoplado a transformador para uma fonte de 12 V e saídas de: a) V(p) = 12 V. b) V(p) = 6 V. c) V(p) = 2 V. solução: a) Visto que VCEQ = VCC = 12 V, os pontos máximo e mínimo da oscilação de tensão são, respectivamente, VCEmáx = VCEQ + V(p) = 12 V + 12 V = 24 V VCEmín = VCEQ – V(p) = 12 V – 12 V = 0 V o que resulta em % h = 50a 24 V - 0 V 24 V + 0 V b 2 % = 50% b) VCEmáx = VCEQ + V(p) = 12 V + 6 V = 18 V VCEmín = VCEQ – V(p) = 12 V – 6 V = 6 V o que resulta em % h = 50a 18 V - 6 V 18 V + 6 V b 2 % = 12,5% c) VCEmáx = VCEQ + V(p) = 12 V + 2 V = 14 V VCEmín = VCEQ – V(p) = 12 V – 2 V = 10 V o que resulta em % h = 50a 14 V - 10 V 14 V + 10 V b 2 % = 1,39% Observe como a eficiência do amplificador cai dras- ticamente de um máximo de 50% para V(p) = VCC até um pouco acima de 1% em V(p) = 2 V. 12.4 opErAção do AmplifiCAdor ClAssE B Na operação classe B, o transistor fica polarizado em um valor que o mantém cortado, sendo ligado somente quando o sinal CA é aplicado. Isto é, praticamente não há polarização, e o transistor conduz corrente apenas durante um semiciclo do sinal de entrada. Para obtermos saída para um ciclo completo de sinal, é necessário utilizar dois transistores e ter cada um deles conduzindo em semiciclos opostos. A operação combinada fornece um ciclo completo 576 dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap12.indd 576 3/11/13 6:08 PM de sinal de saída. Visto que uma parte do circuito empurra (push) o sinal alto durante um semiciclo e a outra parte puxa (pull) o sinal baixo durante o outro semiciclo, o circuito é chamado de circuito push-pull. A Figura 12.12 mostra um diagrama para a operação push-pull. Um sinal de entrada CA é aplicado ao circuito push-pull, com cada metade operando em semiciclos alternados; a carga, então, recebe um sinal por um ciclo completo de operação CA. Os transistores de potência utilizados em um circuito push- -pull são capazes de entregar a potência desejada à carga, e a operação classe B desses transistores apresenta uma eficiência maior do que era possível utilizando um único transistor em operação classe A. potência de entrada (CC) A potência fornecida à carga por um amplificador é drenada da fonte de alimentação (ou fontes de alimentação; veja a Figura 12.13) que fornece a potência de entrada ou potência CC. O valor dessa potência de entrada pode ser calculado por Pi(CC)= VCCICC (12.17) onde ICC é a corrente média ou corrente CC drenada das fontes de alimentação. Na operação classe B, a corrente drenada de uma única fonte de alimentação tem a forma de um sinal de onda completa retificado, enquanto a cor- rente drenada de duas fontes de alimentação tem a forma de um sinal de meia onda retificado de cada fonte. Em qualquer caso, o valor da corrente média drenada pode ser escrito como ICC = 2 p I )p( (12.18) onde I(p) é o valor de pico da forma de onda da corrente de saída. Utilizando a Equação 12.18 na equação da potência de entrada (Equação 12.17), obtemos: Pi(CC) = VCCa 2 p I(p)b (12.19) potência de saída (CA) A potência entregue à carga (geralmente referida como uma resistência, RL) pode ser calculada utilizando- -se qualquer uma dentre diversas equações. Caso se use um medidor de valor eficaz (rms) para medir a tensão na carga, a potência de saída pode ser calculada como: Circuito para um semiciclo Circuito para um semiciclo Carga Figura 12.12 Representação em bloco da operação push-pull. Circuito para um semiciclo Circuito para um semiciclo Circuito para um semiciclo Circuito para um semiciclo Carga Carga Figura 12.13 Conexão de um amplificador push-pull à carga: (a) utilizando duas fontes de tensão; (b) utilizando uma fonte de tensão. Capítulo 12 Amplificadores de potência 577 Boylestad_2012_cap12.indd 577 3/11/13 6:08 PM Po(CA) = V2 L(rms) RL (12.20) Caso se empregue um osciloscópio, a tensão de saída medida de pico, ou pico a pico, pode ser utilizada: Po(CA) = V2 L(p@p) 8RL = V2 L(p) 2RL (12.21) Quanto maior for a tensão rms ou a tensão de pico de saída, maior será a potência entregue à carga. Eficiência A eficiência de um amplificador classe B pode ser calculada pela equação básica: % h = Po(CA) Pi(CC) × %001 Utilizando as equações 12.19 e 12.21 na equação da eficiência anterior, obtemos % h = Po(CA) Pi(CC) × 100% = V2 L(p)>2RL VCC [(2>p)I(p)] × 100% = p 4 VL(p) VCC × %001 (12.22) [utilizando I(p) = VL(p)/RL]. A Equação 12.22 mostra que, quanto maior for a tensão de pico, maior será a eficiência do circuito, até um valor máximo quando VL(p) = VCC, sendo então essa eficiência máxima: eficiência máxima = p 4 × 100% = %5,87 Potência dissipada pelos transistores de saída A potência dissipada (em forma de calor) pelos transis- tores de potência de saída é a diferença entre a potência de entrada fornecida pelas fontes e a potência de saída entregue para a carga, P2Q = Pi(CC) – Po(CA) (12.23) onde P2Q é a potência dissipada pelos dois transistores de potência de saída. A potência dissipada em cada transistor é, então, PQ = P2Q 2 (12.24) EXEmplo 12.7 Para um amplificador classe B que forneça um sinal de 20 V de pico para uma carga de 16 Ω (alto-falante) e uma fonte de alimentação de VCC = 30 V, determine a potência de entrada, a potência de saída e a eficiência do circuito. solução: Um sinal de 20 V de pico através de uma carga de 16 Ω fornece uma corrente de pico na carga de: IL(p) = VL(p) RL = 20 V 16 = 1,25 A O valor CC da corrente drenada da fonte de alimentação é, então, ICC = 2 p IL(p) = 2 p (1,25 A) = 0,796 A e a potência de entrada fornecida pela fonte de tensão é Pi(CC) = VCCICC = (30 V)(0,796 A) = 23,9 W A potência de saída entregue à carga é Po(CA) = V2 L(p) 2RL = (20 V)2 2(16 ) = 12,5 W para uma eficiência resultante de: % h = Po(CA) Pi (CC) × 100% = 12,5W 23,9 W × 100% = 52,3% Considerações sobre máxima potência Para a operação classe B, a potência máxima de saída é entregue para a carga quando VL(p) = VCC: Po(CA) = V2 CC 2RL máxima (12.25) A corrente de pico CA correspondente I(p) é, portanto, I(p) = VCC RL de maneira que o valor máximo da corrente média da fonte de alimentação é: ICC = 2 p I(p) = 2VCC pRL máxima 578 dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap12.indd 578 3/11/13 6:09 PM Utilizar essa corrente para calcular o valor máximo de potência de entrada resulta em: Pi(CC) = VCC ( ICC) = VCCa 2VCC pRL b = 2V2 CC pRL máxima máximo (12.26) A eficiência máxima do circuito para uma operação classe B é, então, %h = Po(CA) Pi(CC) × 100% = V2 CC>2RL VCC [(2>p)(VCC>RL)] × %001 = p 4 × 100% = 78,54% máxima (12.27) Quando o sinal de entrada resulta em uma oscilação menor do que a oscilação máxima possível do sinal de saída, a eficiência do circuito é menor do que 78,5%. Para a operação classe B, a potência máxima dissi- pada pelos transistores de saída não ocorre na condição de potência máxima de entrada ou de saída. A potência máxima dissipada pelos dois transistores de saída ocorre quando a tensão de saída através da carga é VL(p) = 0,636VCC a= 2 p VCCb para uma dissipação máxima de potência no transistor de: P2Q = 2V2 CC p2RL máxima (12.28) EXEmplo 12.8 Para um amplificador classe B que utiliza uma fonte de VCC = 30 V e aciona de uma carga de 16 Ω, determine a potência máxima de entrada, a potência de saída e a dissipação no transistor. solução: A máxima potência de saída é: Po(CA) = V2 CC 2RL = (30 V)2 2(16 ) = 28,125 Wmáxima A máxima potência de entrada drenada da fonte de tensão é: Pi(CC) = 2V2 CC pRL = 2(30 V)2 p(16 ) = 35,81 Wmáxima A eficiência do circuito é, então, máxima % h = Po(CA) Pi(CC) × 100% = 28,125 W 35,81 W × 100% = %45,87 como esperado. A máxima potência dissipada por cada transistor é: PQ = P2Q 2 = 0,5a 2V2 CC p2RL b = 0,5 c 2(30 V)2 p216 d = 5,7 W máxima máxima Sob condições máximas, um par de transistores dis- sipando cada um, no máximo, 5,7 W, pode entregar 28,125 W para uma carga de 16 Ω enquanto drena 35,81 W da fonte de alimentação. A eficiência máxima de um amplificador classe B também pode ser expressa como segue Po(CA) = V2 L(p) 2RL Pi(CC) = VCCICC = VCC c 2VL(p) pRL d de maneira que % h = Po(CA) Pi(CC) × 100% = V2 L(p)>2RL VCC [(2>p)(VL(p)>RL)] × %001 % h = 78,54 VL(p) VCC % (12.29) EXEmplo 12.9 Calcule a eficiência de um amplificador classe B para uma tensão de alimentação VCC = 24 V com tensões de pico de saída de: a) VL(p) = 22 V. b) VL(p) = 6 V. Capítulo 12 Amplificadores de potência 579 Boylestad_2012_cap12.indd 579 3/11/13 6:09 PM solução: Utilizando a Equação 12.29, temos: a) % h = 78,54 VL(p) VCC % = 78,54a 22 V 24 V b = 72% b) % h = 78,54a 6 V 24 V b% = 19,6% Observe que uma tensão próxima da máxima [22 V no item (a)] resulta em uma eficiência próxima à má- xima, enquanto uma oscilação pequena de tensão [6 V no item (b)] ainda fornece uma eficiência próxima de 20%. Fontes de alimentação e oscilações de sinais com valores semelhantes resultariam em eficiências muito piores em um amplificador classe A. 12.5 CirCuitos AmplifiCAdorEs ClAssE B Há várias configurações de circuitos possíveis para obtermos a operação classe B. Nesta seção, examinaremos algumas vantagens e desvantagens dos circuitos mais utili- zados. Os sinais de entrada para o amplificador podem ser um único sinal, e o próprio circuito ofereceria então dois estágios de saída diferentes, cada um operando em metade do ciclo. Se o sinal de entrada estiver na forma de dois sinais de polaridades opostas, dois estágios semelhantes poderiam ser utilizados, cada um operando em um ciclo alternado do sinal de entrada. Uma maneira de obter in- versão de polaridade ou fase é utilizar um transformador, e o amplificador acoplado a transformador é muito utili- zado há bastante tempo. Entradas de polaridades opostas podem ser facilmente obtidas por meio de amp-ops com duas saídas opostas, ou empregando-se alguns estágios de amp-ops para obter dois sinais de polaridades opostas. Também é possível obter uma operação de polaridade oposta utilizando uma única entrada e transistores com- plementares (npn e pnp, ou nMOS e pMOS). A Figura 12.14 mostra diferentes formas de obter- mos sinais invertidos em fase a partir de um único sinal de entrada. A Figura 12.14(a) mostra um transformador com derivação central para fornecer sinais de fases opostas. Se o transformador tiver sua derivação exatamente centrada, os dois sinais serão exatamente de mesma magnitude e opostos em fase. O circuito da Figura 12.14(b) utiliza um estágio TBJ com saída em fase no emissor e saída com fase oposta no coletor. Se o ganho estiver próximo de 1 para cada saída, a mesma amplitude será obtida em cada uma delas. Provavelmente, o mais usual é utilizar estágios amp-op: um para fornecer um ganho inversor unitário, e outro para um ganho não inversor também unitário, para proporcionar duas saídas de mesma amplitude, mas com fases opostas. Circuitos push-pull acoplados a transformador O circuito da Figura 12.15 utiliza um transformador de entrada com derivação central para produzir sinais de polaridades opostas para os dois transistores de entrada e um transformador na saída para acionar a carga em um modo de operação push-pull, que é descrito a seguir. Durante o primeiro semiciclo de operação, o transis- tor Q1 é levado para a condução enquanto o transistor Q2 é mantido cortado. A corrente I1 através do transformador produz o primeiro semiciclo de sinal para a carga. Duran- te o segundo semiciclo do sinal de entrada, Q2 conduz; portanto Q1 fica cortado e a corrente I2 através do trans- formador proporciona o segundo semiciclo para a carga. O sinal total desenvolvido através da carga varia, então, durante o ciclo completo de operação do sinal. (a) V V Sinais push-pull Vi (c) E F E F (b) VCC RC R1 C2 Sinais de entrada push-pull RE C3 R2 Vi C1 Ampli- ficador Figura 12.14 Circuitos separadores de fase (continua). 580 dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap12.indd 580 3/11/13 6:09 PM N2 Vi IL RL +VCC I1 Q1 N1 I2 Q2 R2 R1 +VCC N1 Circuito de polarização Transformador de entrada separador de fase Circuito push-pull Transformador de saída push-pull Carga Figura 12.15 Circuito push-pull. (a) V V Sinais push-pull Vi (c) E F E F (b) VCC RC R1 C2 Sinais de entrada push-pull RE C3 R2 Vi C1 Ampli- ficador Figura 12.14 Continuação. Capítulo 12 Amplificadores de potência 581 Boylestad_2012_cap12.indd 581 3/11/13 6:09 PM Circuitos de simetria complementar Utilizando transistores complementares (npn e pnp), podemos obter um ciclo completo de saída através da carga por meio de semiciclos de operação de cada transistor, como consta na Figura 12.16(a). Enquanto um único sinal de entrada é aplicado na base de ambos os transistores, estes, sendo de tipos opostos, conduzirão em semiciclos opostos da entrada. O transistor npn será polarizado para a condução pelo semiciclo positivo do sinal, proporcionando um semiciclo de sinal através da carga, como mostra a Figura 12.16(b). Durante o semiciclo negativo de sinal, o transistor pnp é polarizado para a condução, como mostra a Figura 12.16(c). Durante um ciclo completo da entrada, um ciclo completo de sinal de saída é desenvolvido através da carga. Uma desvantagem do circuito é a necessidade de duas fon- Polarizado ligado pelo sinal de entrada Polarizado ligado pelo sinal de entrada Polarizado desligado pelo sinal de entrada Polarizado desligado pelo sinal de entrada Distorção por cruzamento (crossover) Figura 12.16 Circuito push-pull de simetria complementar. 582 dispositivos eletrônicose teoria de circuitos Boylestad_2012_cap12.indd 582 3/11/13 6:09 PM tes por tensão separadas. Outra, menos óbvia, é a distorção por cruzamento (crossover) resultante no sinal de saída (veja a Figura 12.16(d)). A distorção por cruzamento se refere ao fato que, durante a passagem do sinal de positivo para negativo (ou vice-versa), haverá uma não linearidade no sinal de saída. Isso resulta do fato que o circuito não apresenta um chaveamento perfeito de um transistor li- gado para o outro cortado na condição de tensão zero de entrada. Ambos os transistores podem estar parcialmente cortados, de maneira que a tensão de saída não acompanhe a entrada em torno da condição de tensão zero. Polarizar os transistores em classe AB melhora esta situação, pois, assim, ambos conduzem por mais da metade de um ciclo. Uma versão mais prática de um circuito push-pull que utiliza transistores complementares é mostrada na Figura 12.17. Observe que a carga é acionada como a saída de um seguidor de emissor, de maneira que a resistência da carga esteja casada à baixa resistência de saída da fonte que aciona o circuito. O circuito utiliza transistores complementares em conexão Darlington para oferecer alta corrente e baixa resistência de saída. Amplificador push-pull quase complementar Em circuitos amplificadores de potência utilizados na prática, é preferível usar transistores npn para ambos os dispositivos de saída de alta corrente. Como a cone- xão push-pull requer dispositivos complementares, um transistor pnp de alta potência deve ser utilizado. Uma maneira prática de obtermos uma operação complementar utilizando os mesmos transistores npn casados na saída é oferecida pelo circuito quase complementar mostrado na Figura 12.18. A operação push-pull é obtida pelo uso de transistores complementares (Q1 e Q2) antes dos tran- sistores de saída npn casados (Q3 e Q4). Observe que os transistores Q1 e Q3 formam uma conexão Darlington que apresenta baixa impedância de saída, característica de um seguidor de emissor. A conexão dos transistores Q2 e Q4 forma um par realimentado, o qual, de modo análogo, fornece uma baixa impedância para a carga. O resistor R2 pode ser ajustado para minimizar a distorção por cruza- mento através da alteração do valor de polarização CC. O sinal de entrada único para o estágio push-pull resulta, então, em um ciclo de saída completo para a carga. O amplificador push-pull quase complementar é o circuito mais utilizado em amplificadores de potência. EXEmplo 12.10 Para o circuito da Figura 12.19, calcule a potência de entrada, a potência de saída, a potência manipulada por cada transistor de saída e a eficiência do circuito para uma entrada de 12 V rms. Carga CA quando o alto-falante está desconectado Conectar ao alto-falante de 4 a 16 Ω , Figura 12.17 Circuito push-pull com simetria complementar utilizando transistores Darlington. Capítulo 12 Amplificadores de potência 583 Boylestad_2012_cap12.indd 583 3/11/13 6:09 PM solução: A tensão de pico de entrada é Vi(p) = !2 Vi (rms) = !2 (12 V) = 16,97 V 17 V Visto que a tensão resultante sobre a carga é, idealmen- te, a mesma do sinal de entrada (o amplificador tem, idealmente, um ganho de tensão unitário), VL(p) = 17 V e a potência de saída desenvolvida na carga é: Po(CA) = V2 L(p) 2RL = (17 V)2 2(4 ) = 36,125 W A corrente de pico na carga é IL(p) = VL(p) RL = 17 V 4 = 4,25 A a partir da qual a corrente CC das fontes pode ser calculada como ICC = 2 p IL(p) = 2(4,25 A) p = 2,71 A Par Darlington Par realimentado Saída (Carga) Entrada Figura 12.18 Amplificador de potência push-pull quase complementar sem transformador. Figura 12.19 Amplificador de potência classe B para os exemplos 12.10 a 12.12. 584 dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos Boylestad_2012_cap12.indd 584 3/11/13 6:09 PM de modo que a potência fornecida ao circuito é: Pi(CC) = VCCICC = (25 V)(2,71 A) = 67,75 W A potência dissipada por cada transistor de saída é: PQ = P2Q 2 = Pi - Po 2 = 67,75 W - 36,125 W 2 = 15,8 W A eficiência do circuito (para uma entrada de 12 V rms) é, então, % h = Po Pi × 100% = 36,125 W 67,75 W × 100% = 53,3% EXEmplo 12.11 Para o circuito da Figura 12.19, calcule a máxima po- tência de entrada, a máxima potência de saída, a tensão de entrada para operação com máxima potência e a po- tência dissipada pelos transistores de saída nessa tensão. solução: A máxima potência de entrada é: Pi(CC) = 2V2 CC pRL = 2(25 V)2 p4 = 99,47 Wmáxima A máxima potência de saída é: Po(CA) = V2 CC 2RL = (25 V)2 2(4 ) = 78,125 Wmáxima [Observe que a eficiência máxima é conseguida nesta situação: % h = Po Pi × 100% = 78,125 W 99,47 W 100% = ]%45,87 Para conseguir potência máxima de operação, a tensão de saída deve ser VL(p) = VCC = 25 V e a potência dissipada pelos transistores de saída é, portanto, P2Q = Pi – Po = 99,47 W – 78,125 W = 21,3 W EXEmplo 12.12 Para o circuito da Figura 12.19, determine a máxima potência dissipada pelos transistores de saída e a tensão de entrada na qual isso ocorre. solução: A máxima potência dissipada por ambos os transistores de saída é: P2Q = 2V2 CC p2RL = 2(25 V)2 p24 = 31,66 Wmáxima A dissipação máxima ocorre em: VL = 0,636VL(p) = 0,636(25 V) = 15,9 V (Observe que, em VL = 15,9 V, o circuito precisou que os transistores dissipassem 31,66 W, enquanto, em VL = 25 V, eles tiveram de dissipar somente 21,3 W.) 12.6 distorção do AmplifiCAdor Um sinal senoidal puro tem uma única frequência na qual a tensão varia positiva e negativamente com as mes- mas amplitudes. Qualquer sinal que varie por menos do que um ciclo completo de 360° é considerado distorcido. Um amplificador ideal é capaz de amplificar um sinal se- noidal puro, produzindo uma versão ampliada, sendo que a forma de onda resultante também é uma senoidal pura. Quando ocorre distorção, a saída não será uma duplicata exata (exceto em sua magnitude) do sinal de entrada. A distorção pode acontecer porque as características do dispositivo são não lineares, e neste caso ocorre distor- ção não linear ou distorção em amplitude. Isso pode ocor- rer com amplificadores de qualquer classe de operação. A distorção pode ocorrer também porque os elementos do circuito e dispositivos respondem a um sinal de entrada de forma diferente nas várias frequências, sendo esse caso chamado de distorção em frequência. Uma das técnicas para descrever formas de onda distorcidas, porém periódicas, utiliza a análise de Fourier. Esse método descreve qualquer forma de onda periódica em termos de seu componente de frequência fundamental e de componentes de frequência que são múltiplos inteiros dela. Esses componentes são chamados de componentes harmônicos ou apenas harmônicas. Por exemplo, um sinal originalmente de 1.000 Hz poderia resultar, após a distorção, em um sinal com componentes de frequência de 1.000 Hz (1 kHz) e componentes harmônicos de 2 kHz (2 × 1 kHz), 3 kHz (3 × 1 kHz), 4 kHz (4 × 1 kHz) e assim por diante. A frequência original de 1 kHz é chamada de frequência fundamental; os múltiplos inteiros são as har- mônicas. O componente de 2 kHz é, portanto, chamado de Capítulo 12 Amplificadores de potência 585 Boylestad_2012_cap12.indd 585 3/11/13 6:09 PM