Amplificadores de Potência Classe B e D

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ACRE
CCET - CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
BACHARELADO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
ELETRÔNICA II
RIO BRANCO - AC
Discente:
Lucas Costa
Vichinsky
Docente:
Elmer Osman
Hancco Catata
Trabalho referente à amplificadores de
potência classe B e D.
INTRODUÇÃO
Durante a disciplina de eletrônica nos reparamos com amplificadores
operacionais que possuiam diversas funções, a maioria delas relacionadas a filtros
ativos com topologias diferentes.
Porém com diversas topologias fica cada vez mais claro que isso não é o
suficiente para resolver os problemas que possuímos por exemplo em amplificação
de sinal, eficiência e dissipação de potência. Para isso foram desenvolvidos circuitos
chamados de amplificadores de potência. Esse trabalho em específico tem como
objetivo falar sobre dois deles o amplificador de classe B e o amplificador de classe
D.
AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA
A principal característica dos amplificadores de potência ideias são a linearidade,
o ganho de sinal, a eficiência e a saída de potência. Porém em amplificadores
sempre existe uma troca entre essas diferentes características.
Generalizando, sinais largos ou amplificadores de potência são usados em
estágios de sistemas amplificadores de áudio para gerenciar a carga de um
autofalante. Um autofalante genérico possui impedância entre 4 ohms e 8 ohms,
por essa razão um amplificador de potência deve ser capaz de fornecer um alto pico
de corrente necessário para implementar a corrente de um autofalante com baixa
impedância.
Um método que é usado com frequência para distinguir os diferentes tipos de
amplificadores de potência é divindo-os em classes, assim eles são classificados de
acordo com a sua configuração de circuito e o método de operação.
Classes de amplificadores representam a quantidade de sinal de saída que varia
com o circuito amplificador em um ciclo de operação quando excitados por uma
onda senoidal. A classificação deles variam em uma gama de aplicações
inteiramente lineares (para uso em amplificações de sinal com alta fidelidade) com
baixa eficiência, para sistemas inteiramente não lineares (quando uma reprodução
de baixa fidelidade) a operação possui uma eficiência muito mais alta, enquanto os
outros estão compromissados entre os dois.
As classes de amplificadores de potência estão principalmente divididos em dois
grupos. Os primeiros consistem em amplificadores para controle de ângulos. Os
mais comuns são os de classe A, B, AB e C, que são definidos pela largura de
condução de seu estado de saída. Os segundos tipos de amplificadores são os
chamados de “amplificadores de chaveamento” que consistem nos amplificadores
de classe D, E, F, G, S, T, etc., que usam circuios digitais e modulações por largura
de pulso (PWM) para constantemente chavear o sinal entre os dois estados (“ligado”
e “desligado”/”1” e “0”) gerenciando a saída na região de saturamento e de corte
dos transistores. Os amplificadores de potência mais usualamente manufaturados
são aqueles usados em amplificadores de áudio, principalmente os de classe A, B,
AB e C.
CLASSES DE AMPLIFICADORES E EFICIÊNCIA
Assim como os amplificadores de áudio existem um bom número de
amplificadores operacionais relacionados a design de chaveamento que utilizam
diversas técnicas para reduzir a perda de potência e acrescentar sua eficiência.
Alguns designs de amplificadores operacionais utilizam ressonantes RLC ou
multiplas fontes de tensão para reduzir sua perda de potência ou ainda são
DSP’s( sinais processados digitalmente), amplificadores que utilizam técnicas de
chaveamento por modulação de largura de pulso (PWM).
270º360º
Fig. 1 - Resumo: Figura simplificada para
amplificadores de potência.
A AB B C
B CABA
D ao T
Eficiência
100%
75%
50%
25%
0%
0º90º180º
AMPLIFICADORES CLASSE B
Amplificadores classe B foram inventados como uma solução para a eficiência e
problemas associados à aquecimento do amplificador de classe A. O amplificador
básico de classe B usa dois transistores complementares cada um deles FET bipolar
para cada metade de parecela da forma de onda com seu estágio de saída
configurado como um tipo de arranjo “empurra-puxa”,assim cada transistor
amplifica uma parte da forma de onda de saída.
Nos amplificadores de classe B, não há uma base de corrente contínua já que
ela tende à zero, então a potência contínua é muito pequena, em compensação a
eficiência é muito maior do que a do que o de um amplificador de classe A.
Entretanto, o preço pago pelo aumento da eficiência é a linearidade do dispositivo
de chaveamento.
Quando o sinal de entrada é positivo, o transistor polarizado positivamente
conduz enquanto o transistor polarizado negativamente não conduz. De maneira
semelhante, quando a entrada é negativa, o transistor polarizado positivamente
não conduz enquanto o transistor polarizado negativamente conduz. Desta maneira,
os transistores conduzem metade do sinal, tanto na parcela positiva quanto na
parcela negativa do sinal, apenas meio ciclo de onda.
Curva de Operação
Sinal
de Saída
Área
Não Usada
Sinal
de Entrada
Fig. 2 - Amplificador Classe B: resposta e circuito.
Ic
Q
Sinal de
Saída
Fig. 3 - Amplificador Classe B: Gráfico de onda de
Entrada e Saída.
Sinal de
Entrada
Vce
Pode ser visto que cada transistor do amplificador de classe B só conduz atravez
de uma metade ou cento e oitenta graus (180º) da forma de onda de saída em um
tempo de alternação estrito, porém enquanto o estágio de saída tem dispositivos
para ambas as meias formas de sinal onda, as duas metades são combinadas em
para produzir uma foma de onda de saída totalmente linear.
Esse puxa-empurra design do amplificador é obviamente mais eficiente que o
de classe A, em uma faixa de 50%, mas o problema com o design de amplificadores
de classe B é que ele pode criar distorções em pontos cruzados no zero da forma de
onda, isso se deve ao fato de que a banda morta da tensão de entrada é de -0.7 à
0.7 V.
É necessária uma tensão entre a base e o emissor de 0.7 V para fazer com que
um transistor bipolar comece a conduzir. Então, em amplificadores de classe B, a
saída não é polarizada para um valor de tensão se essa voltagem não for excedida.
Isso significa que parte da onda que cai em 0,7 V não será representada com
precisão tornando o amplificador de classe B ineficiente para aplicações de
amplificadores de áudio que necessitem de uma precisão maior. Para superar essa
falha que existe nos amplificadores de classe B, foram criados os amplificadores de
classe AB.
Apenas como fator de esclarescimento, amplificadores classe B podem ser
considerados circuitos transistorizados que apenas passam uma das duas metades
de forma de onda. Então, a diversidade de circuitos amplificadores classe B é
imensa.
AMPLIFICADORES CLASSE D
A maioria dos engenheiros desenvolvedores de sistemas de áudio estão cientes
das vantagens dos amplificadores operacionais de classe D sobre os amplificadores
A, B, C e AB. Na amplificação linear, como os amplificadores de classe B,
quantidades significativas de potência são perdidas devido a polarização dos
transistores e a operação linear das saídas dos transistores. Devido ao fato de
transistores em amplificadores de classe D trabalharem como chaves, há uma perda
pequena de potência. Qualquer perda associada a potência em amplificadores de
classe D está diretamente associada a perda por aquecimento, que pode ser
facilmente atenuada por dissipadores de calor, assim os amplificadores de classe D
são altamente recomendados para aplicações compactas que requerem uma alta
quantidade de potência.
Re
Fig. 4- Exemplo: Circuito amplificador classe B com
um transistor.
+S
Out
+Vcc
Sinal de SaídaSinal de Entrada
+S
Inp
Rc
-S
-S
O amplificador de classe D para áudio é basicamente um amplificador chaveadonão linear ou um amplificador de PWM. Amplificadores de classe D teoricamente
podem chegar a 100% de eficiência, como eles não possuem período durante o ciclo
que a tensão e a corrente se sobrepõe quando a corrente é medida apenas pelo
transistor que está ligado.
TOPOLOGIAS PARA AMPLIFICADORES CLASSE D
Existem diversas topologias para os amplificadores de classe D, as mais básicas
lidam com modulação por largura de pulso (PWM) com um oscilador de onda
triângular (ou um dente de serra). Na figura abaixo será exibido um diagrama
simples para um amplificador de classe D. Ele consiste em um modulador de largura
de pulso, dois MOSFETs de saída e um filtro passa-baixa externo para recuperar a
amplitude do sinal de áudio.
Como exibido na figura, o canal P e o canal N dos MOSFET’s operam como
chaves condutoras de corrente alternando entre a tensão Vdd e o terra. Devido ao
comportamento dos transistores de alternar entre Vdd ou o terra, o resultado de
saída do amplificador de classe D é uma onda quadrada. A frequência de
chaveamento para grande parte dos circuitos amplificadores de classe D está entre
250kHz até 1.5MHz.
A saída de onda quadrada é modulada por largura de pulso pela entrada de
áudio gerando internamente uma onda triângular (ou dente de serra). Esse tipo de
modulação é comumente chamada de “amostragem natural” onde a onda triangular
age como um pulso de clock de amostragem. O resultado do ciclo da onda quadrada
é proporcional ao nível de sinal da onda de entrada. Quando não existe sinal de
entrada o ciclo da saída de sinal é igual a 50%.
t (s)
Fig. 5- Topologia: Circuito amplificador classe D,
Diagrama simplificado.
Terra
Vout (V)
Vdc
Vdd
Capacitor de
Saída
Resistor de
CargaCapacitor do
Filtro
Sinal de
Áudio
-
Oscilador de Onda
Triangular
Indutância do
Filtro
+
Se existe a necessidade de extrair o sinal amplificado dessa forma de onda
PWM, a saída do do amplificador de classe D é alimentada a um filtro
passa-baixa. O filtro passa baixa LC age como um integrador passivo
(assumindo que a frequência de corte do filtro é ao menos uma ordem de
magnitude menor que a frequência de chaveamento da saída) essas saídas são
iguais ao valor médio da onda quadrada. Adicionalmente, o filtro passa-baixa
previne chaveamento em altas frequências de energia serem dissipados na
carga resistiva. Assumindo que o sinal de saída filtrado e a corrente de saída
filtrada permanecem constantes durante um único período de chaveamento.
Assumir isso é perfeitamente válido já que a frequência de chaveamento é
muito maior que a frequência de entrada do áudio. Entretanto, a relação entre
os ciclos de trabalho e a saída resultante do siinal filtrado pode ser derivada
usando um análise simples no domínio do tempo.
Essa equação depende somente da tensão instantânea que circula pelo
indutor. Por causa da corrente média circulando pela carga ser assumida como
constante em um certo período de chaveamento, a corrente do indutor no
começo do período de chaveamento deve ser igual a corrente do indutor no final
do chaveamento, o que significa que:
Onda
Triângular
Terra
VddSinal
De Saída
Sinal
De Entrada
Tsw
(Eq. 2)
(Eq. 1)
Fig. 6- Gráfico: Foma de onda de saída do circuito
Amplificador classe D.
A equação 2 mostra que a integral da tensão no indutos em um período de
chaveamento deve ser igual à 0. Usando a equação 2 e examinando a foma de
onda da tensão no indutor mostrada na figura 7, fica claro que os valores
absolutos das áreas devem ser iguais a cada um dos outros para que a equação
2 seja verdadeira. Com essa informação, agora nós podemos derivar a
expressão para a saída filtrada de tensão em termos do ciclo de trabalho das
forma de onda de chaveamento. Assim serão introduzidas outras equações:
Substituindo as equações 4 e 5 na equação 3 obtemos o seguinte
resultado:
Como um último jogo de equações podemos definir a tensão de saída
como:
Fig. 7- Gráfico: Foma de onda da corrente do
indutor e da tensão do indutor com um amplificador
classe D de meia ponte.
(Eq. 6)
(Eq. 5)
(Eq. 4)
(Eq. 3)
PROJETO DE AMPLIFICADORES CLASSE B
I. Determinar o ponto onde a corrente de coletor (Icsat) é igual à zero, pois o
transistor está trabalhando um pouco acima da região de corte então
teóricamente os valores dos resistores devem ser projetados com essa lógica.
II. O segundo passo é definir a tensão de polarização de corrente contínua (Vcc),
assim reduzindo o número de valores para determinar os valores de resistores;
III. O último passo é definir a corrente no ponto de operação do transistor (Icq)
assim determinando a última variável para a nossa equação;
IV. Note que os dois valores de resistores serão iguais devido a sinergia do circuito;
Nota: O circuito utilizado para o projeto é o circuito da Fig. 1, os dois resistores
são colocados no coletor de cada transistor. A equação abaixo define como o projeto
do amplificador será feito com resistores:
(Eq. 7)
CONCLUSÃO
Apesar de ter como grande maioria de aplicações na área de projetos com
amplificadores de áudio, os amplificadores de potência possuem algumas
aplicações mais interessantes e mais focadas como por exemplo a redução de
dissipação de potência em processadores digitais de sinais (DSPs).
Aos amplificadores de classe B, são voltados à aplicações mais analógicas
devido à sua boa eficiência e sua boa redução de dissipação de potência, por serem
facilmente implementados (apenas com transistores TBJ) são ideais para aplicações
onde a integridade do sinal não é importante, ele precisa apneas ser amplificado.
Em contrapartida temos os amplificadores de classe D que são destacados por
sua alta eficiência e por sua característica de reduzir a dissipação de potência do
circuito. Os amplificadores de classe D estão mais associados a aplicações onde a
integridade do sinal deve ser preservada, os processos de modulação por largura de
pulso (PWM) e aplicações relacionadas conversores analógicos digitais e
processamento digital de sinais.
Ao aplicar esses sistemas o projetista deve ficar ciente sobre qual sistema
adotar. Amplificadores classe B por exemplo são facilmente implementados e
possuem um custo baixo. Os sistemas de caixas de som de carros por exemplo,
podem possuir uma saída com amplificadores classe B, já que a integridade desse
sinal não é importante o intuito é amplificá-lo. Com amplificadores classe D já os
sistemas já não são tão facilmente implementados. Um circuito amplificador classe
D pode ficar muito grande e sair por um preço bem salgado. Então deve ser apenas
aplicados em casos onde a integridade do sinal é muito importante. Os
amplificadores classe D são bem mais sofisticados que os amplificadores classe B.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
https://www.maximintegrated.com/en/app-notes/index.mvp/id/3977;
http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amplifier-classes.html;
http://clubedaeletronica.com.br/Eletronica/PDF/Amplificadores%20de%20pot
encia%20classeB.pdf;
http://www.electronics-tutorials.ws/amplifier/amplifier-classes.html;