Amplificador classe A

Os amplificadores de emissor comum (CE) são projetados para produzir uma grande oscilação de tensão de saída a partir de uma tensão de sinal de entrada relativamente pequena de apenas alguns milivolts e são usados ​​principalmente como “amplificadores de pequeno sinal”, como vimos nos tutoriais anteriores.

No entanto, às vezes um amplificador é necessário para acionar grandes cargas resistivas, como um alto-falante ou para acionar um motor em um robô, e para esses tipos de aplicações em que são necessárias altas correntes de comutação, são necessários amplificadores de potência.

A principal função do amplificador de potência, também conhecido como “amplificador de grande sinal”, é fornecer potência, que é o produto da tensão e da corrente para a carga. Basicamente, um amplificador de potência também é um amplificador de tensão, a diferença é que a resistência de carga conectada à saída é relativamente baixa, por exemplo, um alto-falante de 4Ω ou 8Ω, resultando em altas correntes fluindo através do coletor do transistor.

Por causa dessas altas correntes de carga, o (s) transistor (es) de saída usado (s) para os estágios de saída do amplificador de potência, como o 2N3055, precisam ter classificações de tensão e potência mais altas do que os gerais usados ​​para pequenos amplificadores de sinal como o BC107.

Como estamos interessados ​​em fornecer potência CA máxima para a carga, enquanto consumimos a potência CC mínima possível da fonte, estamos mais preocupados com a “eficiência de conversão” do amplificador.

No entanto, uma das principais desvantagens dos amplificadores de potência e especialmente do amplificador Classe A é que sua eficiência geral de conversão é muito baixa, pois grandes correntes significam que uma quantidade considerável de potência é perdida na forma de calor. A eficiência percentual em amplificadores é definida como r.m.s. potência de saída dissipada na carga dividida pela potência CC total obtida da fonte de alimentação, conforme mostrado abaixo.

Eficiência do amplificador de potência

Onde:
η% – é a eficiência do amplificador.
Pout – é a potência de saída do amplificador entregue à carga.
Pdc – é a potência DC retirada da fonte.

Para um amplificador de potência, é muito importante que a fonte de alimentação do amplificador seja bem projetada para fornecer a potência contínua máxima disponível para o sinal de saída.

Amplificador classe A

O tipo de configuração de amplificador de potência mais comumente usado é o Amplificador Classe A. O amplificador Classe A é a forma mais simples de amplificador de potência que usa um único transistor de comutação na configuração do circuito emissor comum padrão, conforme visto anteriormente, para produzir uma saída invertida. O transistor é sempre polarizado “ON” para que conduza durante um ciclo completo da forma de onda do sinal de entrada, produzindo distorção mínima e amplitude máxima do sinal de saída.

Isso significa que a configuração do amplificador Classe A é o modo de operação ideal, porque não pode haver crossover ou distorção de desligamento na forma de onda de saída, mesmo durante a metade negativa do ciclo. Os estágios de saída do amplificador de potência Classe A podem usar um único transistor de potência ou pares de transistores conectados juntos para compartilhar a alta corrente de carga. Considere o circuito amplificador Classe A abaixo.

Este é o tipo mais simples de circuito amplificador de potência Classe A. Ele usa um transistor de terminação única para seu estágio de saída com a carga resistiva conectada diretamente ao terminal do coletor. Quando o transistor muda para “ON”, ele afunda a corrente de saída através do Coletor, resultando em uma queda de tensão inevitável na resistência do Emissor, limitando assim a capacidade de saída negativa.

A eficiência desse tipo de circuito é muito baixa (menos de 30%) e oferece pequenas saídas de energia para um grande dreno na fonte de alimentação CC. Um estágio de amplificador Classe A passa a mesma corrente de carga mesmo quando nenhum sinal de entrada é aplicado, então grandes dissipadores de calor são necessários para os transistores de saída.

No entanto, outra maneira simples de aumentar a capacidade de manipulação de corrente do circuito e, ao mesmo tempo, obter um ganho de potência maior é substituir o transistor de saída única por um Transistor Darlington. Esses tipos de dispositivos são basicamente dois transistores dentro de um único pacote, um pequeno transistor “piloto” e outro transistor de “chaveamento” maior. A grande vantagem desses dispositivos é que a impedância de entrada é adequadamente grande, enquanto a impedância de saída é relativamente baixa, reduzindo assim a perda de energia e, portanto, o calor dentro do dispositivo de comutação.

Configurações do transistor Darlington

O ganho geral de corrente Beta (β) ou valor hfe de um dispositivo Darlington é o produto dos dois ganhos individuais dos transistores multiplicados juntos e valores de β muito altos junto com altas correntes de coletor são possíveis em comparação com um único circuito de transistor.

Para melhorar a eficiência de potência total do amplificador Classe A, é possível projetar o circuito com um transformador conectado diretamente no circuito Coletor para formar um circuito denominado Amplificador Acoplado a Transformador. O transformador melhora a eficiência do amplificador combinando a impedância da carga com a da saída do amplificador usando a relação de espiras(n) do transformador e um exemplo disso é dado abaixo.

Circuito amplificador acoplado a transformador

À medida que a corrente do coletor, Ic é reduzido para abaixo do ponto Q quiescente estabelecido pela tensão de polarização de base, devido às variações na corrente de base, o fluxo magnético no núcleo do transformador entra em colapso causando uma fem induzida nos enrolamentos primários do transformador. Isso faz com que uma tensão instantânea do coletor aumente para um valor de duas vezes a tensão de alimentação 2 Vcc, dando uma corrente máxima do coletor de duas vezes Ic quando a tensão do coletor está no mínimo. Então, a eficiência deste tipo de configuração de amplificador Classe A pode ser calculada como segue.

O r.m.s. A tensão do coletor é dada como:

O r.m.s. A corrente do coletor é dada como:

O r.m.s. A potência entregue à carga (Pac) é, portanto, dada como:

A potência média retirada da fonte (Pdc) é dada por:

e, portanto, a eficiência de um amplificador Classe A acoplado a transformador é dada como:

Um transformador de saída melhora a eficiência do amplificador combinando a impedância da carga com a impedância de saída do amplificador. Ao usar uma saída ou transformador de sinal com uma relação de espiras adequada, as eficiências do amplificador classe A atingindo 40% são possíveis com a maioria dos amplificadores de potência do tipo Classe A disponíveis comercialmente sendo deste tipo de configuração.

No entanto, o transformador é um dispositivo indutivo devido aos seus enrolamentos e núcleo, de modo que o uso de componentes indutivos em circuitos de comutação de amplificador é melhor evitado, pois qualquer fem de retorno gerado pode danificar o transistor sem proteção adequada.

Outra grande desvantagem desse tipo de circuito amplificador classe A acoplado a transformador é o custo adicional e o tamanho do transformador de áudio necessário.

O tipo de “Classe” ou classificação que um amplificador recebe realmente depende do ângulo de condução, a porção de 360o do ciclo da forma de onda de entrada, na qual o transistor está conduzindo. No amplificador Classe A, o ângulo de condução é 360o ou 100% do sinal de entrada, enquanto em outras classes de amplificador o transistor conduz durante um ângulo de condução menor.

É possível obter maior potência de saída e eficiência do que a do amplificador Classe A usando dois transistores complementares no estágio de saída com um transistor sendo um tipo NPN ou canal N, enquanto o outro transistor é um PNP ou canal P (o complemento) tipo conectado no que é chamado de configuração “push-pull”.

Este tipo de configuração de amplificador de potência é geralmente chamado de Amplificador Classe B e é outro tipo de circuito amplificador de áudio que veremos no próximo tutorial.