Amplificadores lineares de potência de áudio-frequência, suas classes e configurações

Alguns dos principais tópicos sobre amplificador de potência que podem ser utilizados diversos projetos.

Este artigo é mais um da série com tópicos objetivos para aplicação e referência rápida. Para compartilhar, clique no seguintes links: FacebookLinkedinTwitterGoogle Plus

Tópicos gerais

Na maioria das aplicações o objetivo é fornecer a potência necessária da forma mais econômica possível. Queremos cumprir outras especificações, como:

Quando transistores são utilizados nos limites de suas faixas de operação, devemos tomar cuidados maiores para evitar danos causados por aquecimento excessivo.

Em projetos reais podemos fazer ajustes em laboratório através da medição de várias grandezas:

  • Distorção;
  • Estabilidade em função da temperatura;
  • Potência de saída;
  • Eficiência.

Quando a eficiência operacional máxima é de 25 W, a fonte de alimentação precisa fornecer continuamente 4 W para que só 1 W de potência de sinal seja dissipado na carga em condições de sinal máximo.

Classes de um amplificador de potência

Um amplificador de potência é classificado de acordo com a parte do ciclo do sinal senoidal de entrada em que há corrente na carga. Por exemplo, veja um resumo das classes:

  • Classe A: existe corrente iC (“C” é o índice, para indicar coletor) durante 360°, ou seja, durante todo o ciclo.
  • Classe AB: existe iC durante mais de meio ciclo, mas não em todo ciclo.
  • Classe B: existe iC durante meio ciclo.
  • Classe C: existe iC durante menos de meio ciclo.

Classe A

Em um classe A de emissor-comum, o resistor de emissor deve ser mantido tão pequeno quanto possível. Assim, a perda de potência no circuito de polarização é minimizada. Este resistor de emissor também deve manter a estabilidade do ponto Q.

Em um classe A, a eficiência de operação dobra quando usamos um indutor no lugar do resistor no circuito cc do coletor. Conforme a potência na carga aumenta, a potência (dissação) no coletor diminui, porém, a soma de ambas é a mesma.

A eficiência máxima obtida com a operação de amplificação em classe A é de 50%. Isto porque o valor de pico da corrente ca de coletor nunca ultrapassa o valor da corrente quiescente (do ponto Q).


Classe B

Em amplificador de potência classe B, a corrente cc de coletor é menor que o valor de pico da corrente ca. Assim, existe menor dissipação no coletor e a corrente aumenta.

O classe B na configuração push-pull tem eficiência máxima de 78,5%. Isto corresponde a uma melhoria de 28,5% em relação ao amplificador de potência classe A.


Distorção de cruzamento

Em classe B, o efeito conhecido como distorção de cruzamento (ou crossover) ocorre porque a tensão vBE é nula quando não há sinal aplicado.

A operação linear do transistor só começa quando iB é suficientemente positiva para que vBE ultrapasse o limiar de condução (supondo ser de 0,65V para o silício).

Como cada transistor opera de modo simétrico e apenas durante metade do tempo, basta estudar o funcionamento de um deles.

Para eliminar a distorção de cruzamento, as junções base-emissor são polarizadas em aproximadamente 0,65V. Como resultado, temos um funcionamento em classe AB.

Esta polarização é conhecida como polarização no limiar de condução. É comum, dependendo da aplicação, permitir a distorção de cruzamento. Considera-se que esta distorção será filtrada pelo transformador e pelas capacitâncias internas e parasitas.


Figura de mérito

É a máxima potência no coletor (Pc,max) dividida pela máxima potência na carga (PL,max). No Classe B, a figura de mérito melhora por um fator de 10, ou seja, é 10 vezes maior que o do Classe A.

Então, no amplificador Classe A, que usa 1 transistor, a potência dissipada neste transistor seria 10 vezes maior do que a potência de 1 transistor no Classe B, que usa 2 transistores.

Mesmo o classe B com dois transistores e dois transformadores, a potência nominal mais baixa de cada transistor significa que eles ocuparão menos espaço.

Assim, são necessários dissipadores significativamente menores do que os utilizados em um transistor de alta potência.


Vantagem do B sobre o A

Uma grande vantagem de utilizar a Classe B é que não há dreno de corrente da bateria na ausência de sinal. Em Classe A, a corrente sem sinal é a mesma que a corrente a plena carga.

Importante destacar que na prática obtemos uma aproximação da eficiência e da dissipação de coletor mencionadas aqui.

Tópicos específicos para o amplificador de potência

Ao conhecer a potência máxima entregue à carga e a faixa de temperatura prevista, podemos determinar o limite de potência no transistor e escolher o tipo adequado.

No terminal coletor, a dissipação máxima permitida é geralmente menor que a potência nominal especificada para o transistor.


Potência instantânea e média

A potência instantânea pode ultrapassar a potência média máxima. A restrição de potência é apenas que a dissipação média no coletor seja menor que a dissipação média máxima que pode ser permitida.

Caso seja amplificado um sinal de frequência muito baixa, o tempo em que a curva de dissipação máxima é ultrapassada pode ser longo o bastante para causar superaquecimento do transistor.

Existe uma frequência mínima em que pode ocorrer amplificação, que vai depender da constante de tempo térmica do transistor.


Com transformador

O amplificador em push-pull com acoplamento direto tem a vantagem de não precisar de transformador de saída.

Na entrada, o transformador também pode não ser usado, sendo substituído por um circuito separador de fase. Assim, ao evitar usar o transformador teremos grande economia, porque eles são grandes, pesados e caros.

Sem transformador (como acoplamento) em amplificadores lineares de potência, existe a desvantagem de não obtermos máxima transferência de potência para a carga.

Isto ocorre porque não termos disponível a característica de transformação de impedância do transformador.

Transformação de impedância

No amplificador de potência acoplado a transformador podemos utilizar as propriedades de transformação de impedância para escolher o ponto Q sem nos preocuparmos com a resistência de carga real.

Essa relação de transformação de impedância permite o ajuste do ponto Q para a máxima transferência de potência à carga.


Simetria complementar

Em amplificadores com simetria complementar (acsc) a reta de carga e as relações potência do circuito de saída são as mesmas do amplificador Classe B convencional. Algumas vantagens do acsc:

  • Funcionamento sem transformador permite economia no peso e no custo.
  • Sem necessidade de sinais de entrada em push-pull.
  • É necessário conseguir fontes de tensão positiva e negativa.

Desvantagens do acsc:

  • Pode ser complicado conseguir pares de transistores suficientemente casados no sentido de obter baixa distorção.

Um amplificador de potência Classe B em push-pull tem eficiência muito maior e requer menor consumo da fonte de alimentação. Então, para determinada potência de saída, podemos usar transistores bem menores e mais leves.

O uso de simetria complementar atrai pela simplicidade do circuito e disponibilidade de pares casados de transistores.