Eficiência de Amplificadores Classe A
Autor: Leonardo Cabral | Publicado: 2017-01-27T17:02:00-08:00


&nbsp; &nbsp;Bom dia a todos. Quem está acompanhando o blog sabe que nos últimos posts eu falei sobre o modelo de pequenos sinais de transistores bipolares de junção. Para explicar esse tópico eu tenho abordado circuitos amplificadores, dos quais vimos várias características, tais como ganho, impedância de entrada e de saída, para nomear alguns. Porém um aspecto importante que não falamos e que é importante na construção de um amplificadores reais é a eficiência. Portanto esse será o tema de hoje.



Mas, primeiro, o que são classes de amplificadores?



&nbsp; &nbsp;Se tratando do circuito eletrônico, existem diversas formas projetar um amplificador. Cada uma delas tem certas características como, por exemplo, fidelidade do sinal, consumo de energia, quantidade de componentes, etc. Essas formas de implementação estão divididas em classes.



O que define a classe A?



&nbsp; &nbsp;Os amplificadores de classe A tem como característica utilizar um único transistor para amplificar todo o ciclo do sinal. Imagine que na entrada tem uma senoide pura. No classe A o transistor de saída conduz nos 360° dessa senoide (ou seja, no ciclo completo). Os amplificadores que eu expliquei até agora foram todos da classe A.



Quais outras classes existem?



&nbsp; &nbsp;Muitas outras, como B, AB, C, D, só para citar as mais tradicionais. Não vamos tratar delas hoje e, por isso, nem vou entrar muito na diferença entre elas.



O que é a eficiência?




&nbsp; &nbsp;Eficiência é conseguir fazer mais com menos. Matematicamente ela é definida conforme abaixo:






$$ \large \eta = \frac{P_u}{P_T} $$




&nbsp; &nbsp;Onde \(\eta\) é a eficiência, \(P_u\) é a potência útil e \(P_T\) é a potência total.



&nbsp; &nbsp;Em um cenário ideal toda a potência consumida é utilizada. Assim, \(P_u\) seria igual a \(P_T\)&nbsp;e teríamos uma eficiência unitária (ou seja, 100%). No amplificador isso seria igual a entregar para a carga (auto-falante) toda a potência consumida pelo circuito. Na prática isso é impossível. Todos os sistemas possuem algum desperdício, que causa ineficiência.





&nbsp; &nbsp;O principal motivo de desperdício nos amplificadores é dissipação de calor. Nossos circuitos possuem resistores com várias funções (e.g. polarização de transistores, geração de referências de tensão, etc). Os resistores dissipam a energia na forma de calor. Os transistores também dissipam energia térmica, contribuindo para a ineficiência.





&nbsp; &nbsp;Os amplificadores classe A possuem eficiência máxima teórica de&nbsp;25%. Só isso??? Sim. Quer dizer que se você fizer o melhor amplificador classe A possível com componentes ideais você ainda assim joga 3/4 da potência fora. Se seu amplificador tem uma saída de som de 25 W, seu amplificador consumiria 100 W. Os outros 75 W seriam desperdiçados como calor. Assim, seu circuito seria 75% estufa e 25% amplificador.







&nbsp; &nbsp;Para provar minha afirmação vamos começar com um circuito simples, descrito na figura abaixo.







&nbsp; &nbsp;Vamos supor que \(R_c\) é a minha carga. Eu quero o sinal de maior amplitude possível em \(R_c\), mesmo que exista tensão DC nele. Não interessa, meu foco é no sinal alternado&nbsp;presente em \(R_c\).



&nbsp; &nbsp;Para garantir que o sinal de saída tenha a maior amplitude possível nós vamos polarizar o ponto quiescente (ponto de repouso) em metade da tensão de alimentação. Ou seja, o ponto descrito como out&nbsp;terá metade de \(V_{cc}\). Com isso é fácil calcular a corrente que a fonte está fornecendo através da Lei de Ohm no resistor \(R_c\). A potência total fornecida pela fonte é:



$$ \large P_T = V_{cc} I_{cc} = V_{cc} \frac{V_{cc} - \frac{V_{cc}}{2}}{R_c} = \frac{V_{cc}^2}{2R_c} $$



&nbsp; &nbsp;A grandeza \(P_T\) é a potência média fornecida pela fonte independente de ter sinal na base do transistor ou não. Essa tensão vem exclusivamente da polarização do circuito no ponto ideal, que é metade de \(V_{cc}\).



&nbsp; &nbsp;A potência útil é a potência do sinal que pode ser amplificado por esse circuito. Mas qual a maior potência útil que podemos ter nesse caso? Para responder isso vamos pensar em qual o maior sinal que podemos ter nesse caso.



&nbsp; &nbsp;O nosso sinal de saída pode subir até \(V_{cc}\) e descer até 0. Como nosso ponto out&nbsp;já está bem na metade desse caminho, a amplitude da onde de saída é metade de \(V_{cc}\)*. Com a amplitude podemos calcular a potência da seguinte maneira:



$$ \large P_u = (\frac{A}{\sqrt{2}})^2\frac{1}{R_c} = \frac{A^2}{2R_c} = \frac{V_{cc}^2}{8R_c} $$



&nbsp; &nbsp;Onde A é a amplitude do sinal. Calculando a potência obtemos:



$$ \large \eta = \frac{P_u}{P_T} = \frac{V_{cc}^2}{8R_c} \frac{2R_c}{V_{cc}^2} = \frac{1}{4} $$



&nbsp; &nbsp;E aqui chegamos com a demonstração que o circuito classe A, polarizado com o ponto quiescente em metade de \(V_{cc}\), possui eficiência máxima teórica de 25%. Veja que várias coisas que fizemos nos nossos circuitos reais contribuem para diminuir a eficiência. Colocar resistor de polarização diminui a eficiência. Colocar resistor no emissor para polarizar diminui a amplitude máxima possível e, com isso, diminui a eficiência. O transistor não é ideal e, por isso, não consegue conduzir completamente (\(V_{CEmin}\) \(\neq\) 0), idem ao anterior. Colocar capacitor para remover componente DC da carga diminui a amplitude do sinal (nem que seja um pouquinho), diminuindo também a eficiência. No fim nosso circuito deve ficar com algo em torno de 15% de eficiência (não calculei, apenas chutei. Podemos calcular no futuro).



&nbsp; &nbsp;Porém o classe A tem ótima fidelidade de sinal. As distorções são mínimas e, por isso, até vale a pena montá-lo em aplicações de baixíssima potência. Mas para áudio de verdade devemos partir para outras classes.



&nbsp; &nbsp;Por hoje era isso. Espero que tenham gostado e entendido. Até a próxima, onde talvez vamos calcular, por curiosidade, a eficiência do amplificador que montamos.



* Observação: veja que se estivéssemos em 60% de \(V_{cc}\) poderíamos subir até 100% e descer até 0% também. Mas como uma senoide deve ter simetria entre a parte superior e inferior, a amplitude efetiva que alcançaríamos seria de apenas 40%.