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Classes de Amplificadores

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Os amplificadores eletrônicos funcionam regulando a corrente elétrica proveniente de uma fonte de tensão contínua através de um elemento controlador entre ela e a carga, sendo esta última um alto falante, antena ou outro tipo qualquer de transdutor. Este elemento controlador (que pode ser uma válvula termoiônica, um transistor bipolar ou de efeito de campo) varia sua condução proporcionalmente a uma tensão ou corrente de controle de  intensidade bem menor que o sinal aplicado à carga. Como sobre o elemento controlador existe tensão e corrente elétricas, sempre há perda de energia na forma de calor igual à diferença entre o que é retirado da fonte e o que é fornecido à carga. A proporção entre a potência elétrica aplicada à carga e a retirada da fonte determina o rendimento do amplificador:

h = (PotCarga/PotFonte) x 100  % 

Amplificadores de potência para uso em rádio frequência, áudio ou outro tipo de sinal analógico devem apresentar a menor perda possível e ao mesmo tempo alta linearidade, que é a medida da semelhança entre a forma do sinal de entrada e a do sinal fornecido à carga. Perdas significam maior tamanho, custo e consumo de energia, e linearidade é necessária para garantir a fidelidade do sinal amplificado, salvo em certos tipos de modulação em fase e frequência. No caso de transmissores de RF com variação de amplitude, quanto maior a linearidade, melhor inteligibilidade e menor interferência aos demais usuários do espectro.

Infelizmente estes requisitos são mutuamente exclusivos: quanto melhor a eficiência, pior a linearidade e vice-versa, como veremos nesta análise das classes de amplificação mais conhecidas, que diferem entre si pelo modo de polarização, ou condições de trabalho sem sinal. Para simplificar irei abordar apenas a linearidade e rendimento característicos de cada classe, deixando de lado o ganho de potência, que é a relação entre a potência fornecida à carga e a do sinal de entrada. Este parâmetro requer análise mais detalhada e depende muito do tipo de dispositivo empregado.

Os resultados exibidos são qualitativos, sem a demonstração analítica, e confirmados por simulação em computador.

As simulações em computador (O programa Simetrix Intro V5.2 está disponível para download gratuito no site http://www.simetrix.co.uk) apresentadas a seguir utilizam modelos matemáticos dos componentes, apresentando resultados bastante semelhantes à realidade. Os níveis de potência em cada classe de funcionamento estão próximos aos limites do componente simulado (transistor MosFet IRF530)

Os gráficos associados aos diagramas esquemáticos representam a tensão na carga e a tensão e corrente presentes no transistor.

O produto da corrente pela tensão constitui a potência dissipada no transistor,  que determina o rendimento característico de cada classe de funcionamento: Quanto mais coincidentes no tempo essas duas grandezas mais o transistor dissipa e menor o rendimento. Amplificadores de maior rendimento apresentam baixos valores de corrente enquanto a tensão é alta e vice-versa.

Pode-se também  estimar a linearidade observando a "qualidade" da forma de onda na carga,  já que a entrada é sempre senoidal. 

Classe A: O elemento controlador é polarizado de modo a conduzir durante todo o ciclo de sinal, ou seja 360o. Deste modo, não há descontinuidade significativa. O máximo rendimento teórico em classe A é 30%, e pode-se obter 100dB ou mais de redução para os componentes espúrios originados por distorção. Realimentação negativa também é utilizada para este propósito. A corrente quiescente (sem sinal) no elemento controlador é maior ou igual à metade da corrente de pico fornecida à carga.  É indicado para amplificadores de baixa potência e que necessitam de extrema linearidade, como em circuitos de entrada em receptores de RF e pré-amplificadores de áudio. Alguns amplificadores de potência em áudio utilizam classe A para a obtenção de alta linearidade, naturalmente a custo da eficiência.

 

fig1
fig2 Frequência do sinal: 1MHz

Pot.saída: 8,5W

Rendimento: 26,5%

 

Classe B: Nesta classe de funcionamento o elemento controlador conduz somente durante o meio ciclo positivo ou negativo do sinal. Para reduzir a distorção, usa-se circuito simétrico em push-pull ou a carga é sintonizada, sendo o ciclo completado pelo efeito flyweel (volante de inércia) de um circuito ressonante na frequência de operação, como no exemplo abaixo. Neste caso o sinal a ser amplificado deve ser limitado à uma faixa estreita de frequências, dentro da banda passante de um circuito sintonizado LC. A eficiência de um amplificador classe B é da ordem de 60%. Na região de crossover (transição em zero) estes amplificadores apresentam considerável distorção, que pode ser reduzida por realimentação negativa. A corrente quiescente é zero. A classe B é utilizada em amplificadores sintonizados de RF e áudio de qualidade não muito exigente como moduladores de AM.

 

fig3
fig4

Frequência do sinal: 2MHz

Pot.saída: 13.5W

Rendimento: 55,5%

 Classe AB: A polarização nesta classe implica na condução em pouco mais que meio ciclo do sinal. A polarização mantem uma corrente quiescente baixa, menor que 10% da corrente de pico, o que reduz a distorção na região de crossover, onde o amplificador efetivamente opera em classe A. Pode-se esperar rendimento da ordem de 50%, e sinais espúrios abaixo de -30dB (sinal de teste de duplo tom). A maioria dos amplificadores lineares comerciais de HF utilizam esta classe de funcionamento, bem como os estágios finais de transceptores SSB. Feedback pode ser usado, em geral a custo de redução de ganho. Amplificadores de áudio de alta fidelidade tanbém utilizam este tipo de polarização, aliada a forte realimentação negativa. Existem ainda as sub-classificações AB1 e AB2, referentes ao valores de corrente de grade nos amplificadores à válvulas.

Classe H: Não é uma classe à parte e sim uma variante da classe B ou AB onde duas ou mais fontes de alimentação são conectadas dinâmicamente ao amplificador, dependendo do valor da tensão de pico do sinal amplificado. Como o rendimento aumenta à medida que o valor de pico do sinal se aproxima da tensão da fonte, o rendimento global do amplificador é melhorado.

Classe C: O ângulo de condução fica abaixo de 180o. A condução é concentrada no pico negativo do sinal, onde a tensão sobre o elemento controlador é menor, sendo necessário carga em paralelo com circuito ressonante. Consegue-se eficiência da ordem de 70%, mas o amplificador não é linear. É utilizado em transmissores de FM, onde a amplitude é constante, ou em estágios finais de AM, sendo neste caso a modulação de áudio sobreposta à polarização de anodo (ou coletor/dreno), e o sinal RF de entrada mantido constante. A distorção harmônica é reduzida a níveis aceitáveis pelo efeito seletivo da ressonância paralela.

 

fig5
fig6 Frequência do sinal: 2MHz

Pot.saída: 33.3W

Rendimento: 69,5%

 

Classe D: Neste tipo de circuito o elemento controlador trabalha saturado ou cortado sobre carga resistiva ou indutiva, apresentando forma de onda quadrada ou retangular na tensão de coletor ou dreno. A alta eficiência é conseguida pelo fato do elemento controlador não ser submetido à tensão e corrente simultâneamente a maior parte do tempo. A perda de energia ocorre na transição entre corte e saturação e deve ter o menor tempo possível em relação ao período do sinal amplificado, o que limita a sua aplicação em frequências altas.

Uma vantagem deste modo de amplificação é que pode ser linear, no sentido em que a potência do sinal de saída pode ser proporcional a do sinal de entrada, desde que se faça variável a proporção entre o tempo de saturação e o de corte segundo aquele sinal. Deste modo, o valor médio do sinal de saída segue o sinal de entrada. A carga normalmente é precedida de um filtro passa baixos com frequência de corte abaixo da frequência de comutação, deixando passar apenas o sinal amplificado. É utilizado em fontes de alimentação chaveadas, onde o sinal de saída é DC e a comutação entre 10Kz e 200KHz, e em amplificadores de áudio e moduladores de alta eficiência, comutando entre 50KHz e 500KHz.

A eficiência fica em torno de 90%, dependendo da frequência de comutação e da velocidade dos comutadores.

 

fig7
fig8

Frequência do sinal: 1KHz

Frequência de chaveamento: 50KHz

Pot.saída: 142W

Rendimento: 89,9%

fig9

 

Classe E:  Nesta classe de funcionamento o elemento controlador também trabalha saturado ou cortado, mas não há corrente e tensão simultâneas durante a comutação. A carga é precedida por um circuito ressonante LC série, projetado de modo a apresentar um pulso de tensão no elemento controlador quando este está cortado. A alimentação de energia é através de fonte de corrente, no caso um indutor de alta reatância. Quando o elemento controlador satura, a tensão é zero, imposta pelo circuito ressonante, e a corrente é alta. Quando o transistor corta, a corrente circulante no indutor fornece energia ao circuito ressonante. Deste modo, a ausência de corrente e tensão simultâneas no transistor permite eficiência superior a 90%. Evidentemente não é linear, sendo sua aplicação limitada aos casos do parágrafo anterior. O circuito é assimétrico, resultando em forte conteúdo harmônico deve ser eliminado por circuitos de alto Q ou filtragem adicional.

Tem sido utilizado em telefones celulares, onde a eficiência é muito importante. O fato da capacitância de saída do transistor fazer parte do circuito ressonante também facilita o uso em UHF. Alguns experimentadores tem construído transmissores de AM em HF empregando esta técnica e também existem amplificadores comerciais em eletro-metalurgia e broadcasting.

 

fig10
fig11

Frequência do sinal: 7MHz

Pot.saída: 110.3W

Rendimento: 95,5%

 

Classe F: Também chamada de HCA (harmonically controlled amplifier) esta classe de funcionamento assemelha-se à classe E em circuito simétrico. A carga é um circuito ressonante paralelo, mas isolado dos comutadores de forma a cada lado apresentar meio ciclo de tensão do sinal, que são somados na carga completando a senoide. A corrente flui nos comutadores alternadamente durante a saturação destes. Outra forma de analisar o seu funcionamento e que dá origem à sigla HCA é que os comutadores "vêem" carga resistiva na frequência de operação, circuito aberto para as harmônicas ímpares e curto-circuito para as harmônicas pares, devido às características da topologia e da resposta em frequência da carga ressonante.

Apresenta reduzido conteúdo harmônico devido à simetria, permitindo baixo Q no circuito de carga e facilidade de ajuste. A desvantagem em relação à classe E é que as capacitâncias parasitas dos comutadores e circuitos adjacentes não fazem parte do circuito ressonante da carga, devendo ser minimizadas. Pode-se esperar eficiência acima de 90% , dependendo da qualidade dos comutadores e da frequência de trabalho.

Esta configuração ainda tem poucas aplicações comerciais, concentrando-se em novas tecnologias de celulares, rádio difusão e eletro-metalurgia.

Como o ângulo de condução é 180o e a topologia permite, este circuito presta-se a uma forma híbrida, ou "Classe ABF". Para pequenos sinais comporta-se como classe AB e migra para classe F quando se aproxima da saturação. A linearidade neste caso é ruim, devendo ser compensada por feedback atuando na polarização de dreno (ou coletor, ou placa). Pode-se conseguir deste modo conciliar alta eficiência com boa linearidade.

 

fig12
fig13

Frequência do sinal: 7MHz

Pot.saída: 231W

Rendimento: 91,5%

Comentários  

 
# Jiumar PU1JFS 04-08-2010 22:23
Saulo parabens pelo artigo,que ajuda muito aqueles que gostão de entender aquilo que fazem!
Forte abraço e 73 de PU1JFS Jiumar.
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# Ramón PY2RTY 29-09-2010 10:36
Parabens pelo trabalho, Saulo ,pelo conjunto da didática;
as explicações estão extremamentes claras ,objetivas e
bastante oportunas a quem ,como nós,às vezes nos damos
ao luxo de fazer as nossas descompromissadas montagens ;
Tudo pela nossa antiga PAIXÃO,ou seja o RADIOAMADORISMO .... desde o tempo dos 11 metros...
Forte 73" extensivo ao QTH.
Ramón PY2RTY - Bauru,SP
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