Classes de amplificadores

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1 INTRODUÇÃO
O presente trabalho da cadeira Analise Matemática II, visa abordar ‘Elementos de teoria de campo.
E objetivo desse trabalho explicar com clareza, objetividade, os capítulos apresentados. Para melhor compreição inclui-se exemplos para cada título abordo, e alguns exercícios, exercícios resolvidos.
A metodologia utilizada foi a pesquisa bibliográfica que esta eclusa no fim deste trabalho, e enriquecida com algumas vídeo aulas.
Estruturalmente o trabalho esta dividido os amplificadores de potência de classes:
Classe A;
Classe B;
Classe AB;
Classe C;
Classe D.
AMPLIFICADORES DE POTÊNCIA
Conceito 
Um amplificador recebe um sinal de algum transdutor ou de outra fonte de entrada e fornece uma versão maior desse sinal para um dispositivo de saída ou para outro estágio amplificador. Um sinal de um transdutor na entrada em geral é pequeno (alguns milivolts de um tape-deck ou CD, ou alguns microvolts de uma antena) e precisa ser suficientemente amplificado para acionar um dispositivo de saída (alto-falante ou qualquer outro dispositivo de potência). Em amplificadores de pequenos sinais, os fatores principais geralmente são a linearidade na amplificação e a amplitude de ganho. Uma vez que os sinais de tensão e corrente são pequenos em um amplificador de pequenos sinais, a capacidade de fornecimento de potência e a eficácia têm pouca importância. Um amplificador de tensão fornece amplificação principalmente para aumentar a tensão do sinal de entrada. Por outro lado, amplificadores de grandes sinais ou de potência fornecem principalmente potência suficiente para uma carga de saída para acionar um alto-falante ou outro dispositivo de potência, normalmente na faixa de alguns watts a dezenas de watts. 
Um método utilizado para classificar amplificadores é o de “classes”. Classes de amplificadores basicamente indicam quanto o sinal de saída varia, sobre um ciclo de operação, para um ciclo completo do sinal de entrada. Os amplificadores de potência de um modo geral podem ser divididos em cinco classes:
Classe A;
Classe B;
Classe AB;
Classe C;
Classe D.
2.1 Amplificador Classe A
Tomando como exemplo o circuito da Figura 03, onde Vin(t) é uma fonte senoidal. A classe de operação depende da região de trabalho do transistor.
Figura 03 – Amplificador de Tensão
Quando o transistor está sempre na região ativa, o amplificador opera em Classe A e a corrente de coletor comporta-se como na Figura 04.
Figura 04 – Operação em Classe A
2.1.1 Eficiência do Amplificador em Classe A
Sabemos que: 
		(Eq.01) 
e podendo considerar que a tensão de saída é, de forma geral, dada por:
		(Eq. 02)
A corrente que circula pela fonte de tensão é a mesma do coletor, e pode ser calculada por:
		 (Eq. 03)
e a potência instantânea entregue pela fonte é:
	 	 (Eq. 04)
Podemos calcular a potência média pelo valor médio da Equação 04, ou seja:
	 (Eq. 05)
A potência instantânea entregue à carga RL é dada por:
	 (Eq. 06)
e cujo valor médio é
 (Eq. 07)
Da Equação 07, nota-se que a parcela de potência relacionada ao sinal de entrada (por exemplo, o som) é e, portanto, podemos considerar que efetivamente a potência média útil na carga é:
					(Eq. 08)
Considerando também que o circuito opera com excursão de saída simétrica e máxima amplitude de sinal. Desta forma, temos que a tensão máxima de saída é e a mínima é , ou seja:
				(Eq. 09)
Pela solução do sistema de Equações 09, obtêm-se
					(Eq. 10)
Substituindo a Equação 10 nas Equações 05 e 08, obtêm-se:
			(Eq. 11)
Finalmente, temos para a eficiência máxima teórica do amplificador Classe A a expressão:
				(Eq. 12)
Quando é suficientemente pequeno para ser desprezado, a Equação 12 reduz-se a . Isto significa que somente 25% da potência entregue pela fonte é considerada útil. Se fossemos projetar um amplificador de áudio para 100 W de saída, desperdiçaríamos 300 W sob forma de calor no transistor. Uma forma alternativa de implementação de um amplificador Classe A com eficiência superior pode ser vista na Figura 05. O indutor L1 e o capacitor C1 são suficientemente elevados para que nas freqüências de trabalho L1 seja um circuito aberto e C1 um curto-circuito. A tensão DC armazenada no capacitor é VCC, pois o indutor não oferece resistência à passagem da corrente contínua. Temos então que a tensão de saída no coletor VC(t) está deslocada de VCC em relação Vo(t). Assumindo que VCEsat seja zero, VC(t) pode ser no mínimo zero, obrigando uma excursão de sinal negativo igual a VCC. Portanto, para excursão de sinal simétrica, devemos ter:
		(Eq.13)
Com o máximo de tensão na saída, o transistor está cortado e toda corrente que passa pelo indutor é direcionada para a carga. Sabemos que o indutor, neste caso, funciona como fonte de corrente, e sua corrente é a própria VCq. Portanto, temos que:
					(Eq. 14)
Utilizando as Equações 13 e 14, podemos calcular as potências médias entregue pela fonte e a consumida pela carga, ou seja:
				(Eq. 15)
					(Eq. 16)
A eficiência é obtida das Equações 15 e 16, ou seja:
					(Eq. 17)
Este valor é consideravelmente melhor que o anterior, mas a implementação do indutor não é prática. Este circuito dificilmente é usado para grandes potências de saída.
Figura 05 – Amplificador Classe A com Indutor
Um fato interessante que podemos observar é que a tensão no coletor VC(t) pode ser mais elevada que a da fonte. Isto é possível, pois o indutor atua como fonte de corrente e acumula energia.
2.2 Amplificador Classe B
Considere o seguidor de emissor da Figura 06. O transistor não possui polarização DC, estando a base conectada diretamente à fonte. Somente quando Vin(t) exceder a tensão de junção VBE, haverá corrente de coletor e tensão de saída, conforme a Figura 07.
Figura 06 – Amplificador Classe B
Figura 07 – Corrente e Tensão na Carga dão Amplificador Classe B
Podemos observar que somente o ciclo positivo do sinal de entrada é aplicado à carga, e também com desconto de VBE. A queda de VBE pode ser compensada com o circuito da Figura 08.
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 VCEsat e 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 PQ no transistor é dada pela Equação 22, e cujo gráfico é o da Figura 09.
		(Eq. 22)
Derivando a Equação 22 em relação a Vm e 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 VBE na base do transistor. Entretanto, cada transistor possui um VBE ligeiramente 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 amplificadorconduz 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 ro é uma estimativa da resistência de saída dos transistores. Normalmente, ro é desprezado.
					(Eq. 24)
Figura 10 – Estágio de Saída em Push-Pull, com Fonte Unipolar
Amplificadores classe C e classe D
Embora os amplificadores classe A, classe AB emclasse B sejam os mais utilizados como amplificadores de potência, os de classe D também são bastante populares por sua eficiência bastante alta. Amplificadores classe C, embora não sejam utilizados como amplificadores de áudio , são utilizados em circuitos sintonizados em comunicações.
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
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
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:
A potência de entrada cc é então assim definida:
A potência de saída pode ser definida pela seguinte equação:
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:
Pi (cc);
Po (ca);
(%);
Potência dissipada em cada transistor.
RESOLUÇÃO:
Cálculo da tensão de pico da entrada:
Considerando que o amplificador tem, idealmente, um ganho de tensão unitário:
Encontrando a corrente de pico da carga:
Com a corrente cc da carga podemos encontrar a corrente cc da fonte:
Acha-se em conseqüência a potência fornecida ao circuito:
Cálculo da potência de saída desenvolvida pela carga:
A eficiência do circuito com entrada de 8V rms é, então:
A potência dissipada por cada transistor de saída é dada por:
Para o circuito da questão anterior calcule:
A máxima potência de entrada, a máxima potência de saída, a tensão de saída para máxima potência de operação e a potência dissipada pelos transistores de saída nessa tensão;
A máxima potência dissipada pelos transistores de saída e a tensão de entrada que isso ocorre.
RESOLUÇÃO:
a) A máxima potência de entrada é:
A máxima potência de saída é:
A tensão de saída para máxima potência de operação é:
A potência dissipada pelos transistores de saída é, portanto:
b) A máxima potência dissipada por ambos os transistores de saída é:
A dissipação máxima ocorre em:
 
5 CONCLUSÃO
Pode-se observar que os amplificadores de potência são dispositivos que fazem parte do cotidiano da sociedade atual, seja através de um toca Cd ou um acionamento de um motor elétrico, eles estão sempre presentes no nosso dia a dia. 
Neste estudo, verificou-se que os amplificadores são subdivididos em cinco classes (A, B, AB, C e D) e estas são caracterizadas de acordo com a variação do sinal de saída, potência de saída, freqüência de corte, distorções e principalmente por sua eficiência, onde temos melhores resultados da classe A para a D.
Nas características de funcionamento, buscou-se demonstrar como definir a eficiência em cada uma das classes, através do equacionamento de todas as grandezas envolvidas e analisou-se de forma objetiva sobre as principais distorções provocadas pelos amplificadores (Distorções Harmônicas e Distorções de Crossover).
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BARÚQUI, Fernando Antônio Pinto. Apostilha de Eletrônica IV. Departamento de Eletrônica - Escola Politécnica (UFRJ)
BOGART, Theodore F. Jr. Dispositivos e Circuitos Eletrônicos. 3ª ed.São Paulo: Editora Makron Books. 2001.
BOYLESTAD, Robert L. NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos. 8ª ed. São Paulo: Editora Pearson Prentice Hall. 2004.