Malvino Vol 1 - 11 - Amplificadores De Pot?ncia

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Capítulo 11 + AMPLIFICADORES DEPOTÊNCIA Após vários estágios com ganho de tensão, o sinal amplificado excursiona por toda a reta de carga. Um estágio a mais agora deve ser o estágio de ganho de potência em vez de ganho de tensão. Nesse último estágio, as correntes no coletor são muito maiores porque as impedâncias das cargas são muito menores. Num rádio AM típico, por exemplo, a impedância final da carga é de 3,2 Q - a impedância de um pequeno alto-falante. O estágio final de amplificação deve fornecer urna corrente suficiente para acionar essa impedância. Conforme mencionado no Capítulo 6, os transistores de pequeno sinal têm urna potência menor que meio watt e os transistores de potência têm mais de meio watt. Os transistores de pequeno sinal são tipicamente aplicados na entrada dos sistemas, onde a potência do sinal é baixa, e os transistores de grande sinal são tipicamente aplicados na saída dos sistemas, onde a potência dos sinais é alta. Apósoestudodestecapítulo,vocêdeverásercapazde: 450 ~ Mostrar corno a reta de carga cc, a reta de carga ca e o ponto Q são determinados para um circuito Ec. ~ Calcular a tensão máxima de pico a pico sem distorção (MPP), que é possível com um amplificador Ec. ~ ~ Descrever as características de um amplificador classe A. Discutir os fatores que limitam os valores nominais de potência e o que pode ser feito para melhorar a potência nominal. Capo 11 11.1 Amplificadores depotência 451 A RETADECARGACA Todo amplificador tem duas cargas: uma carga cc e uma carga ca. Por isso, todo amplificador possui duas retas de carga: uma reta de carga cc e uma reta de carga ca. Nos capítulos anteriores, usamos a reta de carga cc para analisar os circuitos de polarização. Neste capítulo, estudaremos a reta de carga ca para analisar as operações em grande sinal. o Ponto a A Figura 11.1 mostra o amplificador que analisamos nos capítulos anteriores. Os valores cc ainda são os mesmos de antes: VB VE IE Vc VCE = = = = = 1,8V 1,1 V 1,1mA 6,O4V 4,94 V +lOV lOkQ 20mV pp 2,2kQ - Figura11.1 - - - - o circuito. O sinal ca de entrada produz variações em duas tensões do transistor (base e coletor), assim como nas três correntes do transistor. O único valor que não varia é a tensão no emissor, porque ele é um terra para ca. 452 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Capo 11 DiferentesResistênciasCAe CCparao Coletor Conforme mostrado na Figura 11.1, a resistência ca do coletor está em paralelo com a resistência de 3,6 kQ e 4,7 kQ, que é rc = 2,04 kQ Como a resistência ca do coletor (2,04kQ) é diferente da resistência cc do coletor (3,6 kQ), o ponto de operação se move ao longo da nova reta de carga mostrada na Figura 11.2. Em outras palavras, a reta de carga ca é diferente da reta de carga cc. Ic VCE 4,94 V Figura11.2 8,9 V As retas de carga. A Saturaçãoe o CorteCA Aqui está o que acontece quando a resistência ca do coletor é diferente da resistência cc da carga. Conforme mostrado na Figura 11.3,os pontos de saturação e de corte sobre a reta de carga casão diferentes dos pontos na reta de carga cc.Além disso, a reta de carga ca é mais inclinada, porque a resistência ca do coletor é menor que a resistência cc do coletor. Embora as duas cargas sejam diferentes, elas incluem o ponto Q.Para simbolizar a corrente e a tensão no ponto Q, usaremos essas notações nos estudos subseqüentes: ICQ = corrente quiescente do coletor VCEQ = tensão quiescente coletor-emissor Esses valores são idênticos aos valores da corrente cc do coletor e da tensão ernissorcoletor dos estudos anteriores. Capo 11 Amplificadores de potência 453 Ic IC(sat) VCE ~ I Figura11.3 VCEQ ~ VCE(corte) I--ICQrc A excursão máxima na reta de carga ca. f As Equações As equações são resumos matemáticos do que acontece com o circuito. Elas nos lembram dos pontos principais em estudo e do processo que envolve o circuito. Na Figura 11.3,a corrente quiescente do coletor é aproximadamente de r VE ICQ = RE e a tensão coletor-emissor é VCEQ= Vcc - Ic Rc - VE 11.2 OS LIMITES DA EXCURSÃO DO SINAL Para o amplificador que estamos analisando, os valores cc ou quiescentes são ICQ = 1,1 mA VCEQ= 4,94 V 454 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Capo 11 Esses valores são importantes porque determinam até onde o sinal capode excursionar antes de atingir os limites da reta de carga ca. Na Figura 11.3, a tensão máxima excursiona a partir do ponto Q até os pontos à esquerda = à direita = IcQ re VCEQ Consulte os "Tópicos Opcionais" se quiser ver a prova dessa equação. Exemplo 11.1 Na Figura 11.1,o resistor de emissor de 1 kQ foi trocado por outro de 820 Q. Que efeito isso produz sobreo ponto Q? SolUção A tensão cc no emissor é igual a 1,1 V. A corrente cc no emissor agora é de i~~lV ... ':::",,',iiiJ' 820Q' - e a tensão cc no coletor é de aproximadamente vC ... 10 'l'.... e a tensão coletor-emissor " ' , . )(3~ ", .'ikQ ) iÍÍÍl! ' 51! .'.',V , .,.i.8 é de VCE 5,18;Y - 1,1 = 41i~8 Para o amplificador que temos estudado, os valores são à esquerda = 4,94 V à direita = (1,1 mA)(2,04 kQ) = 2,24 V o Ceifamento em Ica Te Como a excursão pelo lado direito é menor que pelo lado esquerdo, o sinal será ceifado pelo lado direito antes que ele atinja a excursão máxima pelo lado esquerdo. Aqui está a razão. A Figura 11.4mostra as retas de cargas cce ca.Suponha que a tensão de entrada Capo 11 Amplificadores 455 de potência seja suficiente para produzir a excursão mostrada aqui. Observe que a tensão ca do coletor é senoidal e o pico da direita está alcançando exatamente o limite esquerdo da reta de carga ca. Se a tensão de entrada aumentar, a tensão ca do coletor será ceifada pelo lado direito, conforme mostrado na Figura 11Ab. Isso é indesejável porque resulta numa distorção excessiva do sinal, o que seria desastroso num sistema de alta fidelidade porque o sinal ceifado teria um som terrível. O valor máximo de pico a pico (MPP) da tensão ca sem ceifamento que obtemos com o amplificador é portanto limitado por duas vezes o valor de ICQrc Em uma fórmula, (11.1) MPP = 2ICQ rc I -i'i Se você for um técnico em manutenção ou um projetista, precisa guardar essa equação. Ela determina o limite máximo da tensão ca de pico a pico sem ceifamento. Ic 1 Ic MPP =2 IcQrc VCE VCE F=LJ : Figura11.4 I I ~ I CEIFADO I I I I (a) : I I (b) (a) O sinal máximo de pico a pico; (b) o ceifamento. o Pontoa Ótimo Podemos obter uma excursão máxima do sinal se aumentarmos a corrente quiescente do coletor. De fato, a melhor coisa a fazer é deslocar o ponto Q para cima, até o centro da reta de carga ca, conforme mostrado na Figura 11.5. 456 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Capo11 Ic MPP =2 VCEQ = 2IcQrc Q VCE Figura 11.5 A otimização do ponto Q. Quando o ponto Q estiver no centro da reta de carga ca,o sinal pode excursionar nos dois sentidos antes que ocorra o ceifamento. Em outras palavras, a excursão à esquerda é igual à excursão à direita. Em símbolos, temos VCEA = ICQ rc Isso implica que a excursão máxima de pico a pico é dada tanto por MPP = 2VCEQ (11.2a) MPP = 2lCQ rc (11.2b) quanto por Essas duas equações são válidas quando o ponto Q está no centro da reta de carga ca. ComoPosicionar o Pontoa Ótimo É possível derivar uma fórmula matemática para a otimização do ponto Q, mas alguns projetistas preferem o método de tentativa e erro. A idéia é diminuir a resistência cc do emissor até que o ponto Q produza valores iguais para VCEQe IcQrc Por exemplo, no amplificador da Figura 11.6,a excursão do sinal para a direita e para a esquerda será de Capo VCEQ 11 Amplificadores de potência 457 = 4,94 V ICQ rc = (1,1 mA)(2,04 RQ) = 2,24 V Até agora, as duas excursões são desiguais. Para que elas fiquem iguais, temos de aumentar a corrente cc do coletor. +10V 4,7K 20mV Figura11.6 - - - - Posicionando o ponto Q ótimo. ~ Suponha que tentemos fazer com que a resistência do emissor seja aproximadamente metade, ou seja, RE = 510 Q. Isso aumentará a corrente cc do coletor, o que equivale a mover o ponto Q para o lado da saturação. O novo valor da corrente cc do coletor é I - 1,1 V CQ - 510 Q = 2,16 mA e o novo valor da tensão coletor-emissor é de VCEQ= 10 V - (2,16 mA)(3,6 kQ) - 1,1 V = 1,12 V Isso implica que as duas excursões são VCEQ = 1,12 V ICQ rc = (2,16 mA)(2,04 kQ) = 4,41 V 458 Eletrônica - 48 Edição - Volume 1 Capo 11 Esse valor ultrapassa nossa expectativa. O primeiro ceifamento ocorre ao lado de VCEQ'Mas agora sabemos que a resistência cc do emissor deve estar entre 510 Q e 1 kQ. Outras tentativas nos levariam aos seguintes valores: RE = 680Q lcA = 1,61mA VCEQ = 10 V - (1,61 mA)(3,6 kQ) - 1,1 V = 3,1 V lcQTc = (1,61mA)(2,04kQ) = 3,28V Esse é o valor mais próximo que podemos obter usando o valor padrão para RE' Observe que as duas excursões são quase iguais. Como o limite de VCEé menor, a tensão ca máxima de pico a pico do coletor é MPP = 2(3,1 V) = 6,2 V Aqui está uma fórmula que pode ser derivada para encontrar um valor ótimo para a resistência do emissor: RC + Tc RE = VCC/VE (11.3) - 1 Se você substituir os valores na Figura 11.6,obterá um valor ótimo para a resistência de 697Q. PontosImportantesQueDevemSer lembrados Quando a tensão de entrada for muito alta, você terá um ceifamento do sinal em ambos os lados. Se o ponto Q estiver próximo do centro da reta de carga cc, o primeiro ceifamento ocorrerá para ICQTC'Nesse caso, a tensão máxima de saída de pico a pico será de 2ICQ Tc' Se o ponto Q estiver acima do centro da reta de carga cc, o amplificador poderá produzir um alto valor de saída sem ceifamento. Independentemente da posição do ponto Q na reta de carga cc, a tensão máxima de saída de pico a pico é menor que 2VCEQ ou 2ICQ Te- 1. Cap. 11 Amplificadores de potência 459 Exemplo11.2 . -. A Figura 11.7mostra o amplificador tensão discutido no capítulo anterior. Qual é o valor da MPP? Solução - Os três valores principais são ICQ' VCEQe Tc' Uma vez obtidos esses três valores, você " pode calcular as ex~es~~ o§Jados "" Ô11;J1ij;' ' de ambos ';" Q. Para o casoda " ''".I.I"". .,' o ca,!!li,40f. ulponto ' o'mt '~ iI! 'sval. . -...;-.,sc""j~~~~ ". , ad""" Fi gu,ra..1 ..1.7 temOs 0~H . o-'" .'.ti .,..."" eriOJfl; "",",I!i~ -, ' ' ' ' ' , , ,. , . ,, , .. , , " " '-. . , , . , , " "' :r." , ." , ,, , , , ' ,r.w. ".' , " IcQ = 1,1 mA VCEQ = 4,94 V Tc = 2,65kQ A excursão máxima pelo lado esqueTclo é VCEQ = 4,94 V A excu~ão dQ',liinalMo ICQTC = (1',1mA)(2,65 kQ) = 2,92V .. logo, a excursão máxima de pieo apieo do sinal é Ml'P "",;2(2,9IV) + -=- 10 V l- 11: 1 mV!rv Figura11.7 Exemplo. - - - kQ 460 Eletrônica - 4e Edição - Volume 1 Capo11 Exemplo 11.3 Se a fonte de amnentaç~o da tensão a~entarnP~ MPP1'. Zil V ~. F~IiU1iljli 11,i1, q~al ~á9 w noyo yalo1i .. Solução Se a fonte de aHmentaçã"o âUméfitardé'10 para'25 V, o fator sera. de 2,5. A tensão cc na base antes do aumento era de 1,8 V. Logo, o noyo yalor da tensão cc na base é de .... Caso você não goste desse método, pode usar o método direto. Obtenha o valor segue; da correnteJlo divi$Qr~ tel\sã9,e ~:PQ~ ~~1i9rJLe-QIpoli2,2.i1çQ{~OrnP 25V VB = 12,2kQ 2,2 kQ = 4,5 V Issoimplicâ que a tênsao ceifioêfu1i~or~de VE = 4,5 V - 0,7V = 3,8V A corrente êênoemissót é i!li:! _3,8 V ,Iil, '"",138 -"i..11 kQ ..:. ",.:lmA A tensão cc no coletor é de = .11,;i.;V Os valores necessários para resolver esse problema são V~EQ. ICQ :t..,3 = 3,8mA Te ==2,65kQ A excursão do sInal pelo lado dIreíto é ... 'l,5 Y e pelo lado díreito ê kQ~!j ==1.(3,~~)(2J.t)5~) .. lqr1 V. A excursão peloladú esquerdo ~ menor, portanto o primeíro ceUamento ocorrerá aí. Isso sígnifica que o valor máximo de píco a píco do ,sínal é de . . . :~:p .:: == 2~7,5V) .. ....- == : lS:V -.t Capo 11 11.3 Amplificadores de potência 461 A OPERAÇÃO EM CLASSE A A operação em classe A significa que o transistor opera na região ativa o tempo todo. Isso equivale a dizer que a corrente no coletor circula pelos 3600do ciclo ca.Nesta seção, discutiremos algumas propriedades de um amplificador em classe A. r o Ganhode Potência Além do ganho de tensão A, um amplificador tem um ganho de potência, definido como A Psaída -p - Pent (11.4) Por exemplo, se o amplificador tem uma potência de saída de 10 mW e uma potência de entrada de 10 !tW,seu ganho de potência é de I I i 10 mW = 1000 Ap = 10!tW r A PotênciadaCarga A Figura 1l.8a mostra o amplificador já estudado anteriormente, só que retiramos o resistor de 680 Q do emissor. Esse projeto tem o ponto Q no centro da reta de carga ca. Conforme mostrado anteriormente, esse tipo de amplificador pode produzir uma excursão máxima da tensão de saída de pico a pico de 6,2 V aproximadamente. Os valores cc para o circuito são VB = VE = IcQ = Vc = VE = VCEQ= 1,8V 1,1V 1,61mA 4,2V 1,1V 3,1 V 462 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Capo 11 +10V 4,7kQ 20rnV(rv -- -- -- -- -- (a) PL PD t .,, VCEQlCQ ,, \------7 MPP (b) Figura 11.8 A potência ' 'd MPP Sal a . ' Salda (c) da carga. A resistência da carga vista por um amplificador pode ser um outro dispositivo, como um alto-falante ou um motor. O resistor cc do coletor, por outro lado, é geralmente um resistor comum que faz parte da polarização por divisor de tensão. Estamos interessados na potência do resistor de carga porque ele realiza um trabalho útil. Por outro lado, qualquer potência no resistor cc do coletor é uma potência perdida, porque ela é dissipada em forma de calor. Em outras palavras, quando falamos em potência de saída, referimo-nos à potência útil da carga. Essa potência da carga é dada por PL = VLh onde VL = tensão rms na carga Ir = corrente rms na carga Uma equação alternativa para a potência na carga é t Capo 11 Amplificadores de potência vi: PL = 463 (11.5) RL Ela é mais conveniente quando usamos o valor medido da tensão ca na carga com um voltímetro. Por outro lado, se você estiver usando um osciloscópio, é mais fácil medir o valor de pico a pico. Nesse caso, você pode usar a fórmula equivalente: -r Vsaída2 PL = >I (11.6) 8RL onde Vsaídaé a tensão de saída de pico a pico do amplificador. Por exemplo, quando o amplificador da Figura 11.8a está produzindo sua saída máxima sem ceifamento, a potência na carga é PL = (6,2 V)2 8(4,7 kQ) = 1,02 mW f A prova da Equação (11.6)é dada nos "Tópicos Opcionais". 1 r A Figura 11.8bmostra como a potência na carga varia com a tensão de pico a pico na carga. Conforme indicado, a potência máxima na carga ocorre quando o amplificador está produzindo a tensão máxima de pico a pico na saída sem ceifamento. Nesse caso, a potência na carga é PL(máx)= (MPp)2 8RL o gráfico da Figura 11.8binclina-se para cima porque a potência na carga é diretamente proporcional ao quadrado da tensão na carga. J. A Potência Dissipada no Transistor Quando um amplificador está sem sinal na entrada, a dissipação de potência no transistor é igual ao produto da tensão cc pela corrente cc: PD = VCEQICQ (11.7) 464 Eletrônica - 4QEdição - Volume 1 Capo11 Essa potência dissipada não pode exceder a potência nominal do transistor. Na Figura 1I.8a, a potência no transistor é PD = (3,1 V)(1,61 mA) = 4,99 mW Essa é a potência aproximada do transistor quando não há sinal ca. Ela representa a potência máxima, porque Po diminui quando um sinal está presente. A Figura 1I.8c mostra como a dissipação de potência no transistor varia com a tensão de pico a pico na carga. A Po é máxima quando não há sinal na entrada. Ela diminui quando a tensão de alimentação de pico a pico na carga aumenta. Portanto, o projetista de um amplificador em classe A deve ter certeza de que a potência nominal do transistor é maior que a potência sem sinal dada pela Equação (11.7),porque esse é o pior caso. oDrenode Corrente Num amplificador como o da Figura 11.8a,a fonte de alimentação cc fornece a corrente direta para o divisor de tensão e para o circuito coletor. O divisor de tensão tem uma corrente cc próxima de Vcc 11 = RI + Rz A corrente de alimentação a corrente no coletor: (11.8) total ou a corrente de dreno é a soma da corrente no divisor e lS = 11 + lCQ (11.9) Essa é a corrente de dreno do estágio. A Eficiência A potência cc fornecida para um amplificador é Ps = Vccls (11.10) Capo11 Amplificadores de potência 465 onde V cc é a tensão de alimentação e Is é a corrente de dreno do estágio. Para comparar a eficiência de um projeto com a de outro, podemos usar a eficiência, dada por PL YJ= - Ps (11.11) x 100% Essa equação diz que a eficiência é igual à potência ca na carga dividida pela potência da alimentação ccvezes 100%. r ...I. I I A eficiência de um amplificador é um valor entre Oe 100%.Por quê? Porque o amplificador converte a potência cc em potência ca.Se ele tiver uma eficiência de 100%, toda a potência cc de entrada será convertida em potência ca de saída. Mas isso nunca acontece, pois há perda de potência nos resistores e no transistor. A eficiência é uma maneira de medir como o amplificador usa a potência cc da fonte para produzir uma potência útil na carga. Isso é importante num equipamento movido a bateria, porque uma alta eficiência significa uma vida maior para a bateria. Os amplificadores classe A têm uma baixa eficiência tipicamente de 25% (teoricamente). Isso ocorre por causa de perdas de potência nos resistores de polarização, de coletor, de emissor e transistor. O próximo capítulo discutirá uma operação em classe B, que elimina alguns resistores e usa o transistor com mais eficiência. Com a operação em classe B, a eficiência pode ter um valor teórico próximo de 78,5%. Ql,!alé a Soluf,1o O amp JáSâb l'li 466 Eletrônica - 49 Edição - Volume 1 Capo 11 Exemplo 11.5 Qual é a potência cc fornecida para o amplificador da Figura 11.8? Solução. A potência cc fornecida para o circuito é o produto da tensão de alimentação cc pela corrente de dreno cc: Ps' Exemplo 11.6 Qual é a eficiência máxima na Figura 11.8? Solução Para o sinalmáxim(Jjde carga de auE~s uma potência na = 1,02mW PL = OIA(6,2v-y. '71,<2.\ Portanto, a eficiência máxima que podemos obter comesse projeto é de 1,02 mW = ~l~'i!nW?<' 100% = 4,4% A potência do transistor diminui quando o sinal ca está presente e a potência na carga aumenta. A potência cc fornecida para o amplificador é igual à potência perdida, que é indesejável, somada com a potência ca na carga: Potência cc = Perdas indesejáveis + Potência ca na carga ou 24,3 mW = 23,3 mW + 1,02mW Capo 11 Amplificadores de potência 467 A base para obtermos um amplificador mais eficiente é a redução das potências perdidas indesejáveis que ocorrem nos resistores de polarização e no transistor. Aqui 11.4 A POTÊNCIA NOMINALDOTRANSISTOR A temperatura na junção do coletor limita a potência PD dissipada permitida. Dependendo do tipo de transistor, a temperatura da junção na faixa de 150 a 200°C destruirá o transistor. As folhas de dados especificam a temperatura máxima da junção como T](máx)'Por exemplo, a folha de dados de um 2N3904 fornece uma T](máx)de 150°Ce a folha de dados de um 2N3719 especifica uma T](máx)de 200°c. A TemperaturaAmbiente o calor produzido na junção passa para o encapsulamento do transistor (metal ou plástico) e irradia-se para o ar do ambiente. A temperatura desse ar, conhecida como temperatoura ambiente, é em torno de 25"C, mas ela pode ser maior nos dias quentes. Além disso, a temperatura ambiente pode ser muito maior dentro de uma parte do equipamento eletrônico. f 468 Eletrônica - 4g Edição - Volume 1 Cap, 11 oFatorde Degradação As folhas de dados especificam sempre a PD(máx)de um transistor na temperatura de 25°c. Por exemplo, o 2N1936 tem uma PD(máx)de 4 W para uma temperatura ambiente de 25°c. Isso significa que um 2N1936 usado como um amplificador em classe A pode dissipar uma potência quiescente de até 4 W. Enquanto a temperatura ambiente for de 25°C ou menos, o transistor estará dentro de sua potência nominal especificada. O que você faz se a temperatura ambiente é maior que 25°C? Você deve reduzir a potência nominal. As folhas de dados às vezes incluem uma curva de redução ou degradação como a mostrada na Figura 11.9.Conforme você pode ver, a potência nominal diminui quando a temperatura ambiente aumenta. Por exemplo, numa temperatura ambiente de 100°C,a potência nominal é de 2 W. Algumas folhas de dados não fornecem uma curva de degradação igual à da Figura 11.9.Em vez disso, elas listam um fator de degradação, D. Por exemplo, o fator de degradação de um 2N1936 é de 26,7 mW;oc. Isso significa que você deve subtrair 26,7 mW para cada grau de aumento na temperatura ambiente acima de 25°c. Em símbolos, temos f>JJ = D(TA onde - 25°C) ilP = redução na potência nominal D = fator de redução ou degradação TA = temperatura ambiente êi) 6 .... .... <13 ~ 5 <13 .~ 4 '<13 S 3 o ><13 uo [ 2 '