eletrônica (amplificador push-pull) - cin.ufpe.bres238/arquivos/aulas/aula12_pushpull.pdf ·...
TRANSCRIPT
10/26/15 2 Soluções GrecO
Amplificador classe B
• Este tipo de configuração permite mais ganho do que um transistor poderia fornecer sozinho. Este amplificador "push-pull“ (seguidor de emissor push-pull) é usado onde a saída de alta potência e fidelidade são necessárias: estágios da saída do receptor, moduladores AM, etc.
• Em geral possuem alta impedância de entrada, baixa impedância de saída e alta eficiência.
• Uma vantagem deste tipo de montagem é que “nenhuma potência” é dissipada nos transistores de saída quando não existe sinal sendo aplicado a entrada. (Amplificadores classe A requerem corrente considerável para polarização)
• Estes amplificadores, denominados classe B, permitem que a corrente do coletor flua apenas por 180o do ciclo ca em cada transistor.
Amplificador classe B
10/26/15 Soluções GrecO 3
Analogia: Um bomba ligada a fonte e outra ao sumidouro
1. Quando uma bomba é acionada a outra é desativada
10/26/15 6 Soluções GrecO
Circuito Push-Pull
• Quando um transistor opera na classe B, ele ceifa um semi-ciclo. Para evitar distorções no sinal de entrada dois transistores são usados em uma configuração push-pull. Isto quer dizer que um transistor conduz em um semi-ciclo e o outro no outro semi-ciclo.
• Um problema neste tipo de circuito é a distorção do sinal de saída para entradas próximas de 0V. A fim de se evitar este problema (cross distortion), ambos os transistores deveriam estar “ligeiramente polarizados”, o que pode ser conseguido incluindo-se diodos (0,7V) ou resistores para uma prévia polarização.
10/26/15 7 Soluções GrecO
Push-Pull – Análise CC
Na polarização ICQ ≈ 0 ICQ
Como os diodos são iguais, a tensão nos diodos dos emissores são iguais
VCE = VCC/2
VCE = VCC/2
Polarizar ambos os transistores no corte, garantindo uma tensão entre base e emissor dos transistores entre 0,6 e 0,7V. Isto pode ser garantido com a inclusão dos dois diodos.
Polarizar por diodo também evita a deriva térmica, garantindo a polarização sem problemas dos transistores. O uso de resistores pode afetar o ponto de operação com a mudança de temperatura.
• Polarização do circuito
10/26/15 8 Soluções GrecO
Amplificador Push-pull-circuito típico
Polarização dos transistores no corte
Seguidor de emissor npn
Seguidor de emissor pnp
Capacitor de desacoplamento Capacitor de desacoplamento
A tensão entre diodos é 2VBE, assim como a tensão no capacitor (ponto Q)
Resistência R 1) Fornece corrente de base a Q1 e de polarização a D1 2) Fornece corrente de base a Q2 e de polarização a D2
10/26/15 9 Soluções GrecO
Curva de carga (ponto Q)
• Como não existe resistor para controlar a corrente nos coletores e emissores dos transistores, a corrente de carga é infinita (teoria), no comportamenteo DC. Isto que dizer que a reta de carga é vertical.
(VCC/2RL)
/2 Corrente máxima no coletor do transistor(ca)
Ica(máxima)
Vcc/2
10/26/15 11 Soluções GrecO
Polarização do amplificador Análise DC
2VBE
IC=(VCC-2VBE)/2R
Id= IC
2VBE
A corrente do coletor iguala-se a corrente do diodo.
Id ≅ IC, com Ib ≅ 0 mA
Como as curvas características dos diodos são iguais as curvas VBE dos transitores, a corrente dos diodos é aproximadamente igual a corrente do coletor no ponto Q. Considere na polarização que Ib <<Id .
≅1,4 V
Id Ic
A corrente de polarização é bem pequena(ver curva de carga 1 a 2 mA), daí pouca potência na polarização
I
≡
Id=Ic
IC=IE
Id Ib
Ib
10/26/15 12 Soluções GrecO
Análise CA
• Quando Q1 conduz, Q2 corta e a tensão de saída é positiva. O capaciotr CL é carregado para 0.5 VCC.
Ic(max) = I0(max) = (Vcc/2)/RL
e a corrente de base é dada por: IB(max) = IC(max)/β
VBEQ1
Vo(max)
IB(max)
• A resistência Rmax para garantir a corrente máxima na base pode ser dada aproximadamente por:
Rmax = [VCC - (0.5VCC+VBEQ1+Vo(max))]/IB(max)
Ic(max)
(max)
Ic(max)
Quando Q1 conduz, Q2 está em corte. A tensão de saída é positiva e o capacitor CLé carregado para 0.5 Vcc.
10/26/15 13 Soluções GrecO
Circuito equivalente (modelo CA)
r’e
Zin = R||R||(β+1)RL
Considerando R >> r’e
r’e
r’e
ie = ic+ib =β ib+ib = ib (β+1)
Zin(base) ≅ Vin /ib = ie(RL+r’e)/ ib =(β+1)ib(RL+r’e)/ ib =(β+1)(RL+r’e)
Considerando que RL >> r’e , Zin(base) = (β+1)RL
ie
ic
Ganho de tensão = Vo/Vin = ie.R L/ie(RL+r’e) = R L/(RL+r’e). Se R L >> r’e , Vo/Vin = R L/RL ,ou seja, o ganho de tensão (Vin ≅ Vout) é aproximadamente igual a 1.
10/26/15 14 Soluções GrecO
Eficiência
• Potência média máxima teórica de “saída” pode ser dada por: P(max) = (I2(max).RL)/2=((Vcc
2/(22RL2)). RL)/2= Vcc
2/8RL
Considerando que a dissipação de potência sobre o circuito de polarização é nula. (Ic bem pequena) (DC)
Observe que: 1. o transistor npn é ON (Q1)durante o ciclo positivo
da tensão de saída, carregando capacitor. 2. Durante o ciclo negativo da tensão de saída, o
transistor pnp (Q2) está ON e o capacitor C o alimenta.“A potência alimentada pela fonte durante o meio-ciclo negativo é zero”
10/26/15 15 Soluções GrecO
Eficiência
• Assim, a potência média máxima (potência de “entrada”) fornecida aos transistores pela fonte é dada, considerando apenas meio ciclo, por:
Pavg(max) = Imax.VCC/π = V2cc/2πRL
A eficiência máxima obtida pode ser dada por:
η = P(max) /Pavg(max) = π/4=0.7854 ou 78,54%
10/26/15 16 Soluções GrecO
Amplificadr Push-pull
• Projetar um amplificador Push-Pull conforme figura abaixo de 2W de potência para um speaker de 8Ω sobre a freqüência de 20 a 20KHz. A fonte de alimentação DC é de 24V. Os transistores npn e pnp possuem β=100 e VBE=0,7V.
10/26/15 17 Soluções GrecO
Cálculo
1. Valor efetivo (rms) da corrente no speaker: Io(rms)= (2/8)1/2 = 0,53A
2. Corrente de pico no speaker Io(max) = 21/2*0,53 = 0.758 A
3. Tensão de pico Vo(max)= Io(rms)*RL= 6.064V
4. Cálculo de IB(max)
IB(max)= Io(max) /(β+1) (corrente no emissor) IB(max)= Io(max) /(β+1) = 7.505 mA
10/26/15 18 Soluções GrecO
Polarização
5. Cálculo de R (resistência de polarização): R = [VCC - (0.5VCC+VBEQ1+Vo(max))]/IB(max) R = [12-0.7-6.064]V/7.505 mA = 697.67 Ω
R≈680 Ω
6. Corrente de polarização (corrente nos diodos) ID = (24-0.7-0.7)/2*680 = 16.618 mA
7. Corrente média no coletor:
IC(avg)= I0(max)/π = 0.758/π = 241.128mA
8. Corrente da fonte IS = ID + IC(avg) = 16.618 + 241.128 = 257.746 mA
10/26/15 19 Soluções GrecO
• Potência da fonte PS = (24V)*(257.746mA)= 6.186 W
• Capacitor (RL = carga do speaker = 8Ω)
CL = 1/2πfcRL= 1/2π*20*8 = 994.7 µF Consideremos CL = 1000 µF
10/26/15 20 Soluções GrecO
Circuito equivalente
Rin = R||R||(β+1)RL
Rin = R||R||(β+1)RL = 680||680||(8*101) = 239.3Ω
Vin(max) = Vo(max)=6.064V
Iin(max) = Vin(max)/Rin=6.064/239.3=25.341 mA Ganho em corrente = AI = Io(max)/Iin(max)=758mA/25.341mA = 29.9
Ganho em potência = 29.9