Amplificador Classe AB - Teoria

Documento mostrando a teoria básica necessária para o planejamento e a construção de um amplificador de potência classe AB.

1. André Luís, André Paiva, Jhonathas Vilas Boas, Jival Mendes, João Arouca

Turma 9821 – 2014


AMPLIFICADOR CLASSE AB



INTRODUÇÃO TEÓRICA

Antes de iniciar a abordagem teórica sobre os amplificadores classe AB, é necessária a
compreensão de alguns conceitos dos amplificadores classe A e classe B, justamente porque a classe AB
é um tipo de união de características do amplificador classe A com características do classe B. Portanto,
logo abaixo, há breves resumos sobre essas classes de amplificadores.

Amplificadores Classe A Amplificadores Classe B
Os amplificadores classe A
possuem uma excelente qualidade de
som e praticamente não possuem
distorção, porém, consomem muita
energia, justamente pelo fato de seu
rendimento teórico ser baixo
(geralmente entre 20 e 25%). Isto
significa que, se são fornecidos 20W
de potência para a carga, é
necessário que a fonte de
alimentação forneça uma potência
entre 80 e 100W.
Os amplificadores classe B não consomem energia em
excesso como o classe A, e possuem um rendimento teórico em
torno de 78,5%. Porém, uma grande distorção é claramente
perceptível em pequenos sinais: é a chamada distorção de
crossover. Em grandes sinais, a distorção é menos perceptível. A
distorção é causada por que o transistor NPN somente opera
quando a tensão na base tiver um valor próximo de 0,7 V, e o
transistor PNP somente opera quando a tensão for próxima de -
0,7 V. Porém, há uma variação na tensão de entrada, que é
compreendida entre -0,7 e +0,7 V, onde os transistores na
montagem push-pull (o tipo de montagem do amplificador classe
AB) não operam. Assim, há a distorção de crossover.


AMPLIFICADOR CLASSE AB
Os amplificadores classe AB, como já citado anteriormente, são formados a partir da síntese de
características de amplificadores classe A e classe B. Geralmente, seu rendimento teórico se encontra
entre 50% e 78,5%, consumindo menor quantidade de energia, como a classe B. Em pequenas potências,
este tipo de amplificador praticamente não tem distorção, assim como um amplificador classe A.

2. Na construção do amplificador classe AB, os transistores são polarizados ligeiramente acima do
ponto de corte. Desta maneira, a corrente de coletor (IC) deixa de ser zero, já que o transistor opera, e
logo, a distorção de crossover é praticamente eliminada.
Enquanto nos amplificadores classe A os transistores operam durante 360° (o ciclo inteiro), e nos
amplificadores classe B os transistores operam durante 180°, os amplificadores classe AB operam durante
um ângulo intermediário entre 180° e 360°.
O amplificador classe AB pode ser polarizado de duas formas: Polarização com Diodos e
Polarização com Multiplicador de VBE.

Polarização com Diodos

A polarização com diodos promove um ajuste no circuito: os diodos possuem queda de tensão
aproximadamente igual à tensão base-emissor (VBE) nos transistores, além de possuir mesma
sensibilidade que os transistores em relação à variação de temperatura.


Figura 1 – Esquema de amplificador classe AB polarizado com diodos.


O uso da polarização com diodos é muito empregado em amplificadores classe AB, porém,
possui um problema: não é possível ajustar a tensão entre as bases. Resultado das junções dos diodos,
pois não são exatamente iguais às dos transistores, tornando este circuito inapropriado para algumas
aplicações, principalmente às de elevada potência, um dos déficits do amplificador classe AB.

3. Polarização com Multiplicador de V
BE

A configuração com multiplicador de VBE permite ao amplificador um ajuste da tensão de saída
(VO) proporcional ao VBE de um transistor. Se o transistor Q for acoplado ao dissipador do estágio de
saída, a polarização é compensada para variação de temperatura, e com ajuste de tensão. O multiplicador
de VBE é uma melhoria do uso da polarização com diodos.


Figura 2 – Esquema de amplificador classe AB polarizado com Multiplicador de VBE.

UTILIZAÇÃO DE UM PRÉ -AMPLIFICADOR CLASSE A

Um pré-amplificador é um circuito eletrônico que prepara um sinal eletrônico para uma posterior
amplificação ou processamento. O pré-amplificador pode ou não estar embutido no mesmo circuito que o
amplificador em si. Nossa equipe optou por fazer tudo embutido em uma placa só para economizar
espaço e tempo. O pré-amplificador nada mais faz do que aumentar o nível do sinal de entrada para um
pouco mais elevado, promovendo o ganho de tensão e fazendo com que circuitos eletrônicos com baixa
impedância consigam também ser processadas pelo amplificador. Esse foi nosso caso, colocamos um pré-
amplificador na entrada para fazer com que celulares e outros aparelhos com essa característica possam
ter seus sinais sonoros mais amplificados também. Uma ressalva a respeito do nosso circuito amplificador
é que ele já funcionava sem o pré-amplificador, mas com ganho mediano. O pré-amplificador fez com
que o som tivesse sua intensidade aumentada.

4. CÁLCULOS DO PROJETO

O projeto desenvolvido pelo grupo compreende o planejamento e a construção de um
amplificador classe AB na polarização com diodos. O esquema do circuito desenvolvido pela equipe se
encontra logo abaixo.

Figura 3 – Esquema do amplificador desenvolvido pela equipe.

Primeiro, era necessário o cálculo da tensão de entrada (VCC) do circuito. Havia sido predefinida
uma potência de saída de 5W e uma impedância de saída de 8Ω. Por meio da potência pode-se calcular o
VCC. A fórmula ??????
��=
??????
????????????
2
8 .??????
�
pode ser utilizada para o cálculo da potência de saída. Nesta fórmula, PLM
representa a potência de saída, VCC representa a tensão de entrada, e RL representa a carga, neste caso, a
impedância de saída. Mas por meio de dedução da fórmula, se a potência e a impedância de saída forem
pré-determinadas (como a equipe fez), pode-se calcular o VCC ideal para o circuito.

??????
��=
??????
????????????
2
8 .??????
�
 �
????????????
2
=8 .??????
� .??????
��  �
????????????=√8 .??????
� .??????
��

Substituindo a potência de saída por 5W e a carga pela impedância de 8Ω, tem-se:

�
????????????=√8 .8 .5  �
????????????=√320  �
????????????=17,89

A tensão de entrada foi arredondada para 18 V.

5. Após isso, foram calculados os valores dos resistores por análise da malha. Foi possível concluir
que V
CC
= V
R1
+ 2 .V
D
+ V
R1
. Considerando VR1 = VR2, a equação ficava V
CC
= 2 .V
R1
+ 2 .V
D
.
Considerando a tensão no diodo (VD) igual a 0,65V, tem-se:

18 = 2 . VR + 2 . 0,65  2 . VR = 16,7 V  VR = 8,35 V

Considerando a corrente de coletor na malha sendo 10mA, tem-se:

??????
1=??????
2=
8,35
10 .10
−3
=835 Ω

Convertendo para o valor comercial, os resistores possuem 820 Ω.

Em seguida, foi calculada a potência fornecida pela fonte. A equação utilizada foi ??????
??????=
??????
????????????
2
2?????? .??????
�
,
em que PF é a potência fornecida. Substituindo os valores na fórmula, tem-se que:

??????
??????=
18
2
16??????
 ??????
??????= 6,446 �

A penúltima coisa necessária para se calcular é o rendimento da fonte. O rendimento é dado pela
razão entre a potência de saída e a potência fornecida pela fonte. Para se obter a porcentagem, multiplica-
se a razão por 100.

ƞ=
??????
��
??????
??????
.100%  ƞ=
5 .100%
6,446
 ƞ=77,6%

A última coisa a se calcular é a potência que será dissipada pelos transistores. É importante
calcular a potência para que os transistores escolhidos possam suportá-la. A fórmula é ??????
??????�=
??????
????????????
2
4??????
2
.??????
�
,
onde PCM é a potência dissipada pelo transistor. Substituindo os valores:

??????
??????�=
18
2
32??????
2
.
 ??????
??????�=
324
32??????
2
.
 ??????
??????�= 1,026 �

Os transistores escolhidos para este projeto foram Tip 31 e Tip 32, um transistor NPN e um PNP,
respectivamente.

6. CONCLUSÃO

O amplificador classe AB possui suas vantagens em relação às classes A e B, apesar de ainda
apresentar alguma distorção quando amplifica grandes sinais. Nos modelos comerciais, os amplificadores
classe AB são de ótimo custo-benefício, pois além de utilizar componentes baratos, gasta menos energia e
praticamente não possui distorção.

REFERÊNCIAS

 <http://www.pads.ufrj.br/~fbaruqui/Apostila_EletIV.pdf>. Acesso em 1 dez. 2014.
 <http://escolaindustrial.com.br/escolaindustrial.com.br/Apostilas/M-1105A-1102-aluno-Por.pdf>.
Acesso em 2 dez. 2014.
 <http://www.corradi.junior.nom.br/Aplif_Pot.pdf>. Acesso em 1 dez. 2014.
 <http://www.corradi.junior.nom.br/amp_pot.pdf>. Acesso em 1 dez. 2014.