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INSTITUTO DE AERONÁUTICA E ESPAÇOCAMPUS DE PESQUISAS GEOFÍSICAS MAJOR EDSEL DE FREITAS COUTINHOPROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD NOTA DE AULA 06 O ACOPLAMENTO POR TRANSFORMADOR EM AMPLIFICADORES CLASSE AO ACOPLAMENTO POR TRANSFORMADOR EM AMPLIFICADORES CLASSE Aestá licenciado sob CC BY-NC-ND 4.0© 1 por PROFESSOR ANGELO ANTONIO LEITHOLD
O ACOPLAMENTO POR TRANSFORMADOR EM AMPLIFICADORES CLASSE A
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Os circuitos amplificadores de potência (estágios de saída) são classificados como A, B, AB e C para projetos lineares — e classe D e E para projetos de comutação. As classes são geralmente baseadas na proporção de cada ciclo de entrada (ângulo de condução) durante o qual um dispositivo amplificador passa corrente. A imagem do ângulo de condução deriva da amplificação de um sinal sinusoidal. Se o dispositivo estiver sempre ligado, o ângulo de condução é 360°. Se estiver ligado apenas por metade de cada ciclo, o ângulo é 180°. O ângulo de fluxo está intimamente relacionado à eficiência de potência do amplificador. Consideremos então o esquema seguinte de um amplificador classe A onde o acoplamento com o auto-falante, representado pela resistência RL, é feito através do transformador T1.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Arranjo do transístor em coletor comum, figura acima, com ganho em tensão igual a 1, os capacitores C1 e C2 são de acoplamento, respectivamente, de entrada e de saída, na ausência de sinal de entrada a corrente de coletor é I, a potência é VxI, quase toda dissipada, por aquecimento do transístor e não deve ser excedida. Ao aplicar um sinal sinusoidal à entrada com média nula, a potência da fonte mantém-se inalterada. A potência máxima é obtida quando sobre a resistência de carga toda a variação de tensão e corrente no coletor são aplicadas sobre si. A potência de saída é obtida através do produto da tensão r.m.s. pela corrente r.m.s. do coletor:
#professorangeloantonioleitholdpy5aal A potência de um amplificador classe A é 50% da alimentação na teoria, mas na prática a potência é menor do que esse valor, pois o declive da linha de carga para uma potência de saída máxima é RL=V1/I que é o valor ótimo para a resistência de carga. Para um transístor com potência máxima de 100mW num amplificador de classe A com V1=9V, a corrente máxima no coletor é
I=100 mW/9 v
I= 111 mA
RL=V/I
RL=9 V/111 mA
RL=818 Ohm.
O transformador de saída acopla o valor da carga máxima e o valor da resistência. Admitindo que a resistência de carga, o auto-falante, é 4 Ohm, o transformador deverá ser :
#professorangeloantonioleitholdpy5aal A indutância do enrolamento primário determina a resposta em baixa frequência (3dB abaixo da frequência própria do primário), e pondo f=50Hz, por exemplo, têm-se:
R=L/2 . pi . f
assim
L= 2,6 H
REVISÃO - AMPLIFICADOR CLASSE A
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Na figura acima, um transistor de junção bipolar é mostrado como o dispositivo amplificador. No entanto, os mesmos atributos são encontrados com MOSFETs ou válvulas de vácuo. Em um amplificador classe A, 100% do sinal de entrada é usado (ângulo de condução θ = 360°). O elemento ativo permanece conduzindo o tempo todo. Dispositivos amplificadores operando na classe A conduzem por toda a faixa do ciclo de entrada. Um amplificador classe A se distingue pelos dispositivos de estágio de saída serem polarizados para operação classe A. A subclasse A2 é algumas vezes usada para se referir a estágios classe A de válvulas de vácuo que conduzem a grade ligeiramente positiva em picos de sinal para um pouco mais de potência do que a classe A normal (A1; onde a grade é sempre negativa ). Isso, no entanto, incorre em maior distorção de sinal . Como os transistores polarizados para classe A essencialmente sempre têm corrente de dreno, sua eficiência é baixa e o calor é gerado no transistor.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Os projetos de classe A podem ser mais simples do que outras classes, na medida em que os projetos de classe AB e B exigem dois dispositivos conectados no circuito ( saída push-pull ), cada um para lidar com metade da forma de onda, enquanto a classe A pode usar um único dispositivo ( single-ended ). O elemento amplificador é polarizado para que o dispositivo esteja sempre conduzindo, a corrente quiescente do coletor (para BJTs ; corrente de dreno para FETs ou corrente de ânodo/placa para válvulas de vácuo) está próxima da porção mais linear de sua curva de transcondutância. Como o dispositivo nunca fica "desligado", não há tempo para "ligar", não há problemas com armazenamento de carga e, geralmente, melhor desempenho de alta frequência e estabilidade do loop de feedback (e geralmente menos harmônicos de alta ordem). O ponto em que o dispositivo chega mais perto de estar "desligado" não é em "sinal zero", então os problemas de distorção de crossover associados aos projetos de classe AB e B são evitados. O classe A é bom para amplificar os sinais fracos recebidos pelos receptores de rádio devido à baixa distorção.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal É sabido que os amplificadores classe A são ineficientes com uma eficiência teórica máxima de 25% é obtida usando configurações usuais, mas 50% é o máximo para um transformador ou configuração acoplada indutivamente. Em um amplificador de potência, isso não apenas desperdiça energia e limita a operação com baterias, mas aumenta os custos operacionais e requer dispositivos de saída com classificação mais alta. A ineficiência vem da corrente estacionária, que deve ser aproximadamente metade da corrente máxima de saída, e uma grande parte da tensão da fonte de alimentação está presente no dispositivo de saída em níveis de sinal baixos. Se for necessária alta potência de saída de um circuito classe A, a fonte de alimentação e o calor que a acompanha tornam-se significativos. Para cada watt entregue à carga, o próprio amplificador, na melhor das hipóteses, usa um watt extra. Para amplificadores de alta potência, isso significa fontes de alimentação e dissipadores de calor muito grandes e caros.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Como os dispositivos de saída estão em operação plena o tempo todo (diferentemente de um amplificador classe A/B), eles não terão uma vida útil tão longa, a menos que o amplificador seja projetado especificamente para levar isso em consideração, aumentando o custo de manutenção ou projeto do amplificador. Os projetos de amplificadores de potência Classe A foram amplamente substituídos por projetos mais eficientes, embora sua simplicidade os torne populares entre alguns amadores. Existe um mercado para amplificadores de classe A caros e de alta fidelidade, considerados um "item de culto" entre os audiófilos, principalmente por sua ausência de distorção de crossover e distorção harmônica ímpar e harmônica de alta ordem reduzida. Os amplificadores de potência Classe A também são usados em alguns amplificadores de guitarra "boutique" devido à sua qualidade tonal única e para reproduzir tons vintage.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Alguns amadores que preferem amplificadores classe A com o uso de projetos de válvulas termiônicas em vez de transistores, por vários motivos. Estágios de saída de terminação única têm uma curva de características de transferência assimétrica, o que significa que harmônicos de ordem par na distorção criada tendem a não se cancelar (como acontece em estágios de saída push-pull). Para válvulas, ou FETs, a maioria das distorções são harmônicos de segunda ordem, da característica de transferência da lei quadrática, que para alguns produz um som "mais quente" e mais agradável. Para aqueles que preferem figuras de baixa distorção, o uso de válvulas com classe A (gerando pouca distorção harmônica ímpar, como mencionado acima) juntamente com circuitos simétricos (como estágios de saída push-pull ou estágios balanceados de baixo nível) resulta no cancelamento da maioria dos harmônicos de distorção par, removendo assim a maior parte da distorção.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Historicamente, os amplificadores valvulados eram frequentemente usados como amplificadores de potência classe A simplesmente porque as válvulas são grandes e caras, muitos projetos classe A usam apenas um único dispositivo. Transístores são muito mais baratos do que válvulas, então projetos mais elaborados que usam mais componentes ainda são menos caros de fabricar do que projetos de válvulas. Uma aplicação clássica para um par de dispositivos classe A é o par de cauda longa, que é excepcionalmente linear e forma a base de muitos circuitos mais complexos, incluindo muitos amplificadores de áudio e quase todos os op-amps .
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Amplificadores de classe A podem ser usados em estágios de saída de op-amps (embora a precisão do bias em op-amps de baixo custo como o "741" possa resultar em desempenho de classe A ou classe AB ou classe B, variando de dispositivo para dispositivo ou com a temperatura). Eles são algumas vezes usados como amplificadores de potência de áudio de média potência, baixa eficiência e alto custo. O consumo de energia não está relacionado à potência de saída. Em modo inativo (sem entrada), o consumo de energia é essencialmente o mesmo que em alto volume de saída. O resultado é baixa eficiência e alta dissipação de calor.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Conforme já citado, em um amplificador classe A, o componente ativo está sempre conduzindo. Esses amplificadores ampliam todo o sinal de entrada, limitando assim as distorções no sinal de saída dissipando uma potência constante qualquer que seja a amplitude do sinal de entrada. Assim, esses amplificadores atingem sua eficiência máxima quando a amplitude do sinal de saída está nos limites do que o amplificador pode fornecer. Conforme já citado, a eficiência máxima de um amplificador classe A depende da topologia do conjunto utilizado: a eficiência máxima teórica destes amplificadores é de 50% no caso de ligação a transformador, 25% no caso de ligação direta e entre 6 % e 25% para uma conexão capacitiva.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Para um arranjo de emissor comum, a polarização classe A significa que as tensões quiescentes Vbe0 e Vce0 foram escolhidos de forma que o amplificador não sature (não corte o sinal) quando um sinal de entrada de amplitude máxima for aplicado a ele. O ponto de polarização é geralmente escolhido maior que o mínimo estrito para trabalhar na parte mais linear possível das características do componente amplificador. Um arranjo de emissor comum é um arranjo de ligação capacitiva. Na classe A, a potência que absorve é constante e vale:
Com Vcc, a tensão de alimentação e Ic0, a corrente de polarização. A potência fornecida à carga depende da amplitude do sinal de saída:
Com VSeff o valor efetivo da tensão de saída e ISeff valor efetivo da corrente de saída. A potência máxima de saída disponível é obtida quando a corrente e a tensão de saída estão nos limites do que o amplificador pode fornece. A amplitude pico a pico da tensão de saída não pode exceder VCC enquanto o da corrente é limitado por IC0.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Este cálculo só é válido se a linha de carga estática e a linha de carga dinâmica coincidirem. Na realidade, durante o regime dinâmico, a carga está ligada em paralelo com a resistência do coletor aumentando assim (em valor absoluto ) a inclinação da linha de carga dinâmica -1/R3 em comparação com o da linha de carga estática -1/(R3 + R4), com tal arranjo, a amplitude pico a pico é necessariamente menor que Vcc reduzindo assim a eficiência.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Devido à sua baixa eficiência, os amplificadores classe A são geralmente utilizados para fazer amplificadores de baixa potência. Para um amplificador classe A de alta potência, as perdas de energia tornam-se muito significativas. Para cada watt entregue à carga, o amplificador dissipará, na melhor das hipóteses, outro watt. Classe A de alta potência precisam de fontes de alimentação de potência muito alta, mas também de grandes dissipadores de calor para evacuar a energia perdida. Amplificadores Classe A são geralmente usados para fazer estágios pré-amplificadores, amplificadores de áudio, amplificadores de banda larga de alta frequência, bem como osciladores de alta frequência. Embora a maioria dos amplificadores de áudio utilize um estágio de saída classe B, conforme já citado, alguns audiófilos consideram que os amplificadores classe A proporcionam a melhor qualidade de som, devido à sua linearidade.
Amplificador de potência classe A acoplado a transformador
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Amplificador de potência classe A acoplado a transformador também é algumas vezes chamado de amplificador de potência de terminação única. O termo “terminação única” (denotando apenas um transistor) é usado para distingui-lo do amplificador push-pull usando dois transistores. No caso de um amplificador de potência classe A acoplado diretamente, a corrente quiescente flui através da carga resistiva do coletor e causa grande desperdício de energia CC nele. Essa energia CC dissipada no resistor de carga não contribui para a energia de saída CA útil. Além disso, geralmente não é aconselhável passar a CC através do dispositivo de saída, como em uma bobina de um alto-falante. Por essas razões, um arranjo usando um transformador adequado para acoplar a carga (digamos, um alto-falante) ao amplificador é geralmente empregado.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Este arranjo de amplificador de potência classe A acoplado a transformador aumenta a eficiência de conversão por um fator de 2, eliminando a dissipação de energia CC na carga. Como o primário do transformador tem resistência dc desprezível, há perda de energia dc desprezível neste ponto. A energia AC é, no entanto, acoplada magneticamente através do transformador para a carga RL . Este método de Amplificador de Potência Classe A Acoplado a Transformador também evita que uma grande corrente dc flua através da carga, o que de outra forma poderia ser prejudicial se a carga fosse um alto-falante, conforme já expliquei anteriormente, pois causaria saturação do circuito magnético e prejudicaria a reprodução do sinal de áudio.
O arranjo acima também permite o casamento de impedância.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal No circuito amplificador de potência mostrado, R1 e R2 fornecem polarização do divisor de tensão e o resistor emissor RE é destinado à estabilização da polarização. O capacitor de desvio do emissor CE é destinado à prevenção de realimentação negativa no circuito emissor. O capacitor de entrada C em acopla a tensão do sinal CA à base do transistor, mas bloqueia qualquer CC do estágio anterior. Um transformador redutor de relação de espiras adequada (a = N1 /N2 ) é fornecido para acoplar o circuito coletor de alta impedância à carga de baixa impedância.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal A potência transferida do amplificador de potência para a carga (digamos um alto-falante) será máxima somente se a impedância de saída do amplificador for igual à impedância de carga RL. Isso está de acordo com o teorema de transferência de potência máxima. Se não formos capazes de atingir a condição acima, menor potência será transferida para a carga RL, embora o amplificador seja capaz de fornecer mais potência, e o restante da potência desenvolvida seria perdida no dispositivo ativo. Portanto, para a transferência de potência máxima do amplificador para o dispositivo de saída, é necessário combinar a impedância de saída do amplificador com a impedância do dispositivo de saída. Isso é feito usando um transformador abaixador de relação de espiras adequada. O circuito de combinação de impedância do transformador é mostrado separadamente onde R′L é a resistência olhando para o primário do transformador e é dado como:
Assim, a relação entre as resistências de entrada e saída do transformador varia diretamente com o quadrado da relação de espiras do transformador:
onde 'a' é a razão entre as voltas primária e secundária do transformador abaixador, RL é a resistência da carga conectada ao secundário do transformador e R′L é a resistência efetiva olhando para o primário do transformador. Neste circuito, a resistência dc (enrolamento) determina a linha de carga dc. Normalmente, essa resistência é bem pequena (assumida como zero), fornecendo carga dc para ser uma linha vertical subindo de Vcc. Quando um sinal ac é aplicado à base do transistor, a corrente do coletor irá variar em torno do ponto operacional Q.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Para ter a saída máxima de potência CA, o valor de pico da corrente do coletor devido ao sinal CA de entrada sozinho deve ser igual à corrente do coletor do sinal zero. Para conseguir isso, o ponto operacional Q está localizado no centro da linha de carga. Isso é conseguido ajustando o circuito de polarização (R1 , R2 e RE ). Quando o sinal CA é aplicado, a corrente do coletor flutua do máximo para o mínimo (zero), e o ponto operacional Q se move para cima e para baixo na linha de carga. No pico do meio ciclo positivo do sinal de entrada, a corrente total do coletor Icmax = 2 ICQ e a tensão coletor-emissor Vcemin = 0, enquanto no pico do meio ciclo negativo do sinal de entrada, a corrente do coletor Icmin = 0 e a tensão coletor-emissor Vcemax = 2 VCC. Assim, a tensão coletor-emissor varia na fase oposta à corrente do coletor. A variação da tensão do coletor aparece no primário do transformador. Agora, a tensão CA é induzida no secundário do transformador, que por sua vez desenvolve energia CA e fornece à carga. Em um transformador ideal, não há queda de tensão no primário, então VCEQ = VCC e a potência de entrada no transistor se torna igual à potência CC extraída da fonte do coletor VCC, já que a potência perdida no primário é desprezivelmente pequena. Assim, a potência de entrada no transistor:
e a eficiência geral torna-se igual à eficiência do coletor e
Sob condição de desenvolvimento de potência máxima de CA, a tensão oscila de V ce máx. para zero e a corrente do coletor de I c máx. para zero. Então:
Potência CA desenvolvida através da carga,
Eficiência do coletor,
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Assim, para um amplificador de potência classe A acoplado a transformador, a eficiência teórica máxima é de 50%. Na prática, a eficiência de tal amplificador é um pouco menor que 50%. É cerca de 30%. A eficiência de um amplificador de potência classe A acoplado a um transformador pode ser dada como
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Quanto maior o valor de Vcemax e menor o valor de Vcemin, mais a eficiência se aproxima do limite teórico de 50%. Circuitos bem projetados podem se aproximar do limite de 50%. Quanto maior a quantidade de energia manipulada pelo amplificador, mais crítica a eficiência se torna. Para alguns watts, um circuito mais simples e barato com eficiência menor que a máxima é aceitável (e às vezes desejável). Para níveis de energia na faixa de dezenas a centenas de watts, a eficiência mais próxima possível do máximo teórico seria desejada. A potência máxima dissipada no transistor ocorre sob condição de sinal zero, ou seja, VCC ICQ, onde ICQ é a corrente do coletor sob condição de sinal zero. Como a corrente do coletor flui em todos os momentos durante todo o ciclo, nenhuma parte do sinal é cortada e, portanto, a forma de onda de saída obtida neste caso é uma réplica exata da forma de onda de entrada. Portanto, esses amplificadores têm menos distorção. No entanto, eles sofrem com as desvantagens de baixa potência de saída e baixa eficiência do coletor (menos de 50%; cerca de 30%). Assim, para uma dada capacidade de dissipação do transistor, a potência de saída CA obtida em uma carga é a mesma (ou seja, idealmente metade da quantidade de potência de entrada para o transistor), não importa se a carga é acoplada diretamente ou acoplada por transformador. No entanto, o dreno na fonte de alimentação em um amplificador acoplado por transformador é idealmente metade do que é no amplificador acoplado diretamente.
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Em um amplificador de potência, a principal fonte de alimentação é a fonte de alimentação CC do coletor e parte dela é convertida em energia CA e aparece na carga e o restante é dissipado na forma de calor. Assim, em um amplificador de potência
A dissipação de potência é
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Da equação acima, a potência dissipada pelo transistor (Pd ) é a diferença da entrada de potência dc média da bateria de alimentação do coletor, Pin(dc), que é constante para uma dada bateria e ponto de operação, e potência de saída ac, Pout(ac) fornecida à carga. Para saída zero, ou seja, quando nenhum sinal é aplicado, o transistor é necessário para dissipar a potência máxima, ou seja, Pd=VCC.ICQ, este é o pior caso para um transistor. Quando o sinal é aplicado, o transistor tem que dissipar menos potência. Portanto, ao projetar um amplificador de potência, o fator importante que deve ser mantido em mente é a classificação de dissipação de potência do transistor. Seja a capacidade de dissipação de potência de um transistor 5 W. Para projetar um amplificador de potência, primeiro de tudo sua curva de dissipação do coletor é plotada. Para plotar a curva de dissipação do coletor de um amplificador de potência, a corrente do coletor lC é determinada correspondendo a alguns valores arbitrários da tensão coletor-emissor VCE da relação Pd=VCE.IC=5W, a capacidade de dissipação de potência do transistor. A curva obtida desses valores é uma hipérbole:
#professorangeloantonioleitholdpy5aal Para usar este transistor em um amplificador de potência, seu ponto de operação deve estar abaixo da curva de dissipação, caso contrário o transistor será danificado. Esta é a importância da curva de dissipação. O acoplamento de impedâncias é a determinação das características do transformador e a utilização de transformadores como técnica de acoplamento com impedâncias diferentes caiu em desuso, a mesma coisa pode ser feita com transístores e acoplamentos capacitivos.
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