Eletronica 2 Amplificador de Audio Push Pull

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AMPLIFICADOR DE ÁUDIO "PUSH-PULL"
Laura Ferreira1
Caroline Obregon Pilz2
Disciplina de Circuitos Eletrônicos II - Prof. Cesar Augusto Prior
Santa Maria/RS - Junho de 2018
Resumo: Este trabalho faz a análise do Amplificador de Áudio push-pull, neste circuito cada dispositivo
amplifica metade do ciclo de entrada, entregando um ciclo total à carga. Este tipo de configuração permite mais
ganho do que um transistor poderia fornecer sozinho. Este amplificador é usado onde a saída de alta potência
elevada e fidelidade são necessárias: estágios de saída de receptor, moduladores AM, etc. A fim de se evitar
problemas de crossover, ambos os transistores deveriam estar ligeiramente polarizados, o que pode ser conseguido
incluindo-se diodos ou resistores para uma prévia polarização.
Palavras-chave: Amplificador, Áudio, Push-Pull, Transistor, Potência, Distorção.
1 Introdução
Os transistores de potência foram criados nos anos 1950 para otimizar o uso da energia elétrica, já que funcionam
com a maior quantidade de energia de um circuito. Eles possuem uma utilização e um funcionamento semelhante
aos demais transistores, todavia costumam ser transistores de saída ou transistores chaveadores, pois esses são o
que consomem a maior parte de energia de um circuito. Existem diversos tipos de transistores de potência e eles
podem ser encontrados em vários tamanhos e modelos. Podem ser instalados nos mais diversos equipamentos
eletroeletrônicos, desde dispositivos caseiros até dispositivos industriais. Geralmente os transistores de potência
são instalados em uma chapa de metal, que vai servir para dissipar parte do calor do transistor. Comercialmente
encontra-se três tipos diferentes de transistores de potência, o bipolar, o unipolar ou FET (Field Effect Transitor)
e o IGBT. Cada um deles será adequado para um equipamento e uma situação específica. Dessa maneira, deve-se
avaliar o tipo de transistores de potência a ser usado para obter o melhor resultado. Sua utilização varia conforme o
equipamento onde está instalado, mas sempre com objetivo de obter eficácia e bom aproveitamento no uso da ener-
gia elétrica. Os amplificadores de potência, também conhecidos como amplificadores de grandes sinais, requerem
transistores de elevada potência, sendo necessário cuidados especiais em relação às suas propriedades térmicas,
tornando a dissipação de calor um ponto crítico do projeto. Esses amplificadores fornecem potência suficiente para
acionar uma carga, como por exemplo, um alto falante. Definem-se diferentes classes de amplificação conforme as
diferentes condições de funcionamento dos dispositivos ativos, que conduzem a diferentes valores de rendimento
e níveis de distorção.
1Acadêmica do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal De Santa Maria- UFSM, matrícula: 201312207, email: laurafer-
reira.ufsm@gmail.com
2Acadêmica do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal De Santa Maria- UFSM, matrícula: 201310948, email: caro-
line.obregon1@gmail.com
1
2 Classes "A", "B"e "AB"de Operação dos Amplificadores
2.1 Classe A
Os amplificadores da classe A apresentam uma maior linearidade que os de outras classes, a corrente flui ao
longo de todo o ciclo da onda de entrada e seu ciclo de operação é de 360o. Uma desvantagem dessa classe é
seu rendimento menor, que varia na faixa de 25% a 50%. Seus transistores de saída operam constantemente em
condução, devido a corrente de polarização, que também é constante e possui valor no mínimo igual a metade da
máxima corrente de carga.
2.2 Classe B
Os amplificadores com configuração de Classe B podem fornecer melhor potência e ter maior eficiência, pois não
possuem corrente de polarização nos transistores de saída e os transistores são polarizados no ponto de corte, isso
faz com que o rendimento do circuito alcance até 78,5%. Como o transistor é polarizado no ponto de corte, ele
não consome energia durante a condição ociosa e isso aumenta a eficiência. Os transistores passam a conduzir
apenas quando são excitados pelo sinal de entrada. Entretanto, necessita-se um par de transistores idênticos (push-
pull), responsáveis por cada semi-ciclo do sinal de saída. Durante a transição da operação de um transistor para
outro ocorre uma interrupção do sinal de saída, pois o nível do sinal de entrada não é suficiente para colocar os
transistores em condução. Assim, ocorre a chamada distorção de crossover 1. Quando a distorção ocorre, são
criados harmônicos (múltiplos inteiros da frequência) que não existiam antes. Para pequenos níveis de sinais
(pequenas potências), essa distorção torna-se mais relevante.
Figura 1: Manifestação de crossover devido à queda de tensão nas junções.
2.3 Classe AB
A classe AB de operação pode ser considerada intermediária à classe A e B onde, com uma polarização do estágio
de saída, minimiza-se a distorção de crossover. Logo, tem-se uma corrente nos transistores de saída (polarização)
pequena, comparada à corrente de polarização da classe A, fazendo com que o rendimento se aproxime ao da
classe B. Porém, para uma tensão de entrada pequena, ambos os transistores conduzem e em termos de potência,
na classe AB há sempre alguma dissipação nos transistores. A distorção de crossover pode ser eliminada através da
polarização adequada dos transistores. Basta garantir que a tensão de polarização é suficiente para manter sempre
um transistor na zona ativa direta. Esta classe de operação é largamente empregada em amplificadores contínuos.
Figura 2: Característica entrada/saída sem crossover. Fonte: Razavi [1].
2
3 O Amplificador Push-Pull
Os amplificadores push-pull contam com um estágio de saída que pode acionar uma corrente em qualquer direção
através da carga. O sinal a ser amplificado é primeiro dividido em dois sinais idênticos 180o fora de fase. Esses
amplificadores são superiores aos amplificadores de terminação única em termos de distorção e desempenho,
pois os que possuem um único transistor na saída para acionar a carga geram uma maior distorção devido à não
linearidade de suas características de transferência dinâmica.
Em um amplificador push-pull cada transistor opera na região ativa durante a metade do ciclo. Estes amplifi-
cadores são muito usados no estágio de saída de sistemas de áudio porque eles podem produzir potências maiores
do que os amplificadores Classe A, isto é possuem uma eficiência muito maior. A polarização através de diodos
é a forma usual de polarizar amplificadores push-pull escolhendo-se preferencialmente diodos cujas curvas sejam
semelhantes às dos diodos base-emissor dos transistores. Esse procedimento permite uma ótima estabilização do
ponto Q. O circuito explorado neste trabalhado está apresentado em 3
Figura 3: Amplificador de Audio “Push-Pull”.
O estágio de saída de um típico amplificador push-pull consiste em dois BJTs ou MOSFETs idênticos.
4 Considerações de Potência
4.1 Potência de Entrada (CC)
Segundo Boylestad e Nashelsky [2], a potência fornecida a uma carga por um amplificador é drenada da fonte de
alimentação que fornece a potência de entrada ou CC. A quantidade dessa potência de entrada pode ser calculada
utilizando:
Pi(CC) =VCC · ICC (1)
Onde ICC é a corrente média ou CC drenada das fontes de alimentação. Na operação classe AB, a corrente
drenada de uma única fonte de alimentação tem a forma de um sinal de onda completa retificado, enquanto a
corrente 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:
I(CC) =
2
pi
· Ip (2)
Onde Ip é o valor de pico da forma de onda da corrente de saída. Utilizando a equação 2 na equação de potência
de entrada 1 obtém-se:
3
Pi(CC) =VCC · (
2
pi
· Ip) (3)
4.2 Potência de Saída (CA)
A potência liberada para carga (geralmente referida como uma resistência RL pode ser calculada utilizando qual-
queruma das várias equações. Caso se utilize um medidor de valor eficaz para medir a tensão na carga, a potência
de saída pode ser calculada como:
Po(CA) =
V 2L(rms)
RL
(4)
Caso se empregue um osciloscópio, a tensão de saída medida de pico, ou pico-a-pico, pode ser utilizada:
Po(CA) =
V 2L(pp)
8 ·RL (5)
Po(CA) =
V 2L(p)
2 ·RL (6)
Quanto maior a tensão RMS ou de pico de saída, maior a potência liberada para carga.
4.3 Eficiência
A eficiência de um amplificador classe B pode ser calculado utilizando a equação básica:
%η=
Po(CA)
Pi(CC)
(7)
4.4 Potência dissipada pelos transistores de saída
A potência dissipada (por aquecimento) pelos transistores de potência de saída é a diferença entre a potência de
entrada liberada pelas fontes e a potência de saída liberada para a carga
P(2Q) = Pi(CC)−Po(CA) (8)
4
5 Procedimento Teórico-Experimental
Para as simulações utilizou-se o software LTSPice. A figura 4 reúne as informações de polarização.
Figura 4: Captura de Tela do LTSpice: Tabela com valores do ponto de operação simulado.
Aplicando 20 mVpp na entrada com frequência de 2 kHz, observou-se a figura 5 na saída.
Figura 5: Captura de Tela do LTSpice: Sinal de saída devido aos 20 mVpp aplicado à entrada do circuito.
5
Figura 6: Captura de Tela do LTSpice: Valores de amplitude de saída devido aos 20 mVpp aplicado à entrada do
circuito.
Segundo o registro da figura 6, o amplificador fornece sinal de 1,28 V de pico para a carga do speaker que é de
8 Ω. Dessa forma, a corrente de pico na carga é:
IL(p) =
VL(p)
RL
=
1,28
8
= 0,160A (9)
O valor CC da corrente drenada da fonte de alimentação é então:
I(CC) =
2
pi
· IL(p) =
2
pi
·0,160 = 101,9mA (10)
A potência de entrada liberada pela fonte de tensão é:
Pi(CC) =VCC · ICC = 12 ·101,9m = 1,22W (11)
A potência de saída liberada para a carga é:
Po(CA) =
V 2L(p)
2 ·RL =
1,282
2 ·8 = 102,4mW (12)
A eficiência resultante é:
%η=
102,4m
1,22
= 8,37% (13)
A potência dissipada pelos transistores de saída é, portanto:
P(2Q) = Pi(CC)−Po(CA) = 1,22−0,1024 = 1,1176W (14)
Os valores registrados para as correntes de entrada e saída foram gravados e estão evidenciados nas figuras 7 e
8.
Figura 7: Captura de Tela do LTSpice: Amplitude da corrente de entrada.
6
Figura 8: Captura de Tela do LTSpice: Amplitude da corrente de saída.
Manipulando as informações simuladas, o ganho de corrente fornecido pelo circuito é:
Ai =
Iout
Iin
=
356m
3,58m
= 99,44. (15)
Este valor alto ratifica a proposta da configuração push-pull que é fornecer ganho de corrente alto para elevar a
potência.
Para obter o ganho de tensão faz-se:
Av =
Vout
Vin
=
2,83
20m
= 141,5. (16)
6 Procedimento Experimental
Na execução prática em laboratório utilizaram-se:
• Fonte Simétrica CC: para fornecer alimentação de +15 V e -15 V.
• Osciloscópio Digital: para verificar a oscilação do circuito.
• Gerador de sinais para observar diferentes amplitudes e frequências.
• Plug P2 para conectar à uma fonte de música.
• Alto-Falante para observar a saída de áudio.
Após o ajuste do ponto de operação colocou-se um sinal de entrada de 20 mVpp e frequência 2 kHz (figura 9).
Figura 9: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de 20 mVpp aplicado à entrada do circuito.
O sinal aplicado é muito pequeno, por este motivo observa-se a presença de ruídos na figura 9. Utilizou-se o
modo de aquisição do osciloscópio para capturar a média do sinal. Isto ajuda a eliminar ruído aleatório ou não
correlacionado ao sinal medido. A seleção do número de amostras para a média foi de 128.
7
Figura 10: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de 20 mVpp aplicado à entrada do circuito utilizando modo de
aquisição de 128 amostras.
Caracteristicamente a impedância de um alto-falante ou speaker é de aproximadamente 8 Ω, utilizou-se o
multímetro para verificar esta informação (figura 11).
Figura 11: Foto registrando a resistência do alto-falante medida pelo multímetro. Fonte: Autoria própria.
Durante as observações em bancada, substituiu-se o speaker por um resistor de 8,7 Ω. Na etapa posterior onde
fora avaliada a qualidade do áudio, o componente foi reinserido.
O sinal verificado na saída, isto é, na carga para a entrada de 20 mVpp está exibido na figura 12.
8
Figura 12: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de saída devido aos 20 mVpp aplicado à entrada do circuito.
Segundo o registro da figura 12, o amplificador fornece sinal de 1,28 V de pico para a carga do speaker que é
de 8 Ω. Dessa forma, a corrente de pico na carga é:
IL(p) =
VL(p)
RL
=
1,60
8
= 0,200A (17)
O valor CC da corrente drenada da fonte de alimentação é então:
I(CC) =
2
pi
· IL(p) =
2
pi
·0,200 = 0,1273A (18)
A potência de entrada liberada pela fonte de tensão é:
Pi(CC) =VCC · ICC = 12 ·0,1273 = 1,528W (19)
A potência de saída liberada para a carga é:
Po(CA) =
V 2L(p)
2 ·RL =
1,602
2 ·8 = 0,160W (20)
A eficiência resultante é:
%η=
0,160
1,528
= 10,47% (21)
A potência dissipada pelos transistores de saída é, portanto:
P(2Q) = Pi(CC)−Po(CA) = 1,528−0,160 = 1,368W (22)
9
7 Amostra Espectral e Distorção Harmônica
Variando o sinal de entrada e acompanhando com o osciloscópio, determinou-se a máxima excursão de saída para
que ainda houvesse amplificação com um mínimo de distorção (figura 13). O sinal aplicado foi de 40 mVpp.
Figura 13: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de saída no princípio de distorção (Vin=40mVpp).
Utilizando o recurso matemático da Transformada Rápida de Fourier, observou-se o comportamento do espec-
tro da saída (figura 14). Pode-se perceber a presença de algumas harmônicas.
Figura 14: Captura de tela do osciloscópio: Amostra espectral do sinal de saída no princípio de distorção
(Vin=40mVpp).
Aumentando mais a amplitude do sinal de entrada chegou-se ao que está exposto na figura 15.
10
Figura 15: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de saída sujeito à mais distorção (Vin = 140 mVpp).
O sinal de entrada que gerou a distorção mostrada na figura 15 foi capturado e está exposto na figura 16.
Figura 16: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de entrada responsável pela distorção da figura 15.
A análise de FFT para a resposta à entrada de 140 mVpp está na figura 17
11
Figura 17: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de saída sujeito à distorção (Vin = 140 mVpp)
Aumentou-se ainda mais a amplitude de entrada a fim de extrapolar e visualizar uma distorção mais consoli-
dada, o resultado está na figura 18.
Figura 18: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de entrada responsável pela forte distorção do sinal de saída.
O sinal responsável por esta forte distorção é de 260 mVpp como evidencia a figura 19.
12
Figura 19: Captura de tela do osciloscópio: Sinal de entrada responsável pela distorção da figura 18.
A distorção verificada na figura 20 devido aos 260 mV da entrada são justificado pelo espectro (figura 20)
claramente poluído por componentes cercando a fundamental.
Figura 20: Captura de tela do osciloscópio: Amostra espectral do sinal de saída para forte distorção
(Vin=260mVpp)
7.1 Taxa de Distorção Harmônica - THD
Um sinal senoidal puro tem uma frequência bem definida. Entretanto, um sinal cuja forma de onda não seja a
senoide, pode ser analisado como a combinação de sinais de frequências que sejam múltiplas do seu valor funda-
mental (Fourier). Estes sinais múltiplos são denominados "harmônicas". Se tomarmos um sinal de determinada
frequência e o decompormos em suas componentes (fundamental e harmônicas), podemos estabelecer quanto em
porcentagem corresponde cada uma.
Para medir a distorção harmônica total de um circuito, precisa-se verificar a amplitude de cada harmônico
gerado em relação à fundamental do sinal de entrada. Este cálculo nada mais é do que uma média dos níveisde
tensão em relação à entrada.
T HD% =
√
V 22 +V
2
3 +V
2
4 ...
V1
(23)
A THD da saída para o sinal de entrada de 20mV é:
T HD% =
√
0.12 +0.0223872112 +0.0028183832 +0.0070794582
0.958076086
= 0.10% (24)
13
A THD da saída para o sinal de entrada de 260mV é:
T HD% =
√
3.5481338922 +2.4831331052 +1.3182567392 +0.6569011162
0.281838293
= 16.23% (25)
Pelo cálculo da taxa de distorção fica evidente a justificativa para o comportamento do sinal apresentado.
8 Resultados e Discussão
8.1 Resultados Teóricos-Experimentais
Tabela 1: Ganhos
Ganho de Corrente 99,44
Ganho de Tensão 141,5
Tabela 2: Potências
Potência Fornecida Pela Fonte 1,22 W
Potência Liberada Para Carga 102 mW
Potência Consumida Pelos Transistores 1,1176 W
Eficiência 8,37 %
Tabela 3: Potências
THD para Vin = 20mVpp 0,1%
THD para Vin = 260 mVpp 16,23 %
8.2 Resultados Experimentais
Ao testar o circuito conectou-se um plug P2 à entrada para ouvir músicas selecionadas através do celular. Verificou-
se o efeito do potenciômetro de entrada que comportou-se como regulador de volume. Pode-se dizer que o som
manifestado era bastante intenso e não apresentava distorções.
Tabela 4: Potências
Potência Fornecida Pela Fonte 1,528 W
Potência Liberada Para Carga 160 mW
Potência Consumida Pelos Transistores 1,368 W
Eficiência 10,47 %
9 Conclusão
Através deste trabalho sobre Amplificador de Audio “Push-Pull” pode-se compreender e analisar vários aspectos
importantes sobre o estudo dos amplificadores de potência. Ficou evidente a proposta da configuração push-pull
que é fornecer ganho de corrente alto para elevar a potência.
Ao testar o circuito através de um plug P2, ouviram-se músicas com um volume elevado. Verificou-se o efeito
do potenciômetro de entrada que comportou-se como regulador de amplitude. Pode-se dizer que o som manifestado
era bastante intenso e não apresentava distorções.
Pelo cálculo da taxa de distorção fica evidente a justificativa para o comportamento não-senoidal das saída
quando a entrada é muito elevada. Para esta análise utilizou-se a importante ferramenta da Transformda de Fou-
rier (FFT) que, através do espectro, ajuda a compreender a relação da saturação com a presença de harmônicas
próximas à frequência fundamental.
[3]
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Referências
[1] B. Razavi, “Fundamentals of microelectronics,” Jhon Wiley india Pvt. Ltd, 2009.
[2] R. L. Boylestad and J. L. do Nascimento, Introdução à análise de circuitos . Pearson Educación, 2004.
[3] N. C. Braga, “Calculando uma etapa classe b - push-pull.” Disponível em:
<http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/matematica-para-eletronica/1059-m049.html>. Acesso em:
27/06/2018.
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