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AMPLIFICADORES DE POTENCIA DE BAJA FRECUENCIA

Electrnica II

Clasificacin

El dispositivo se polariza en el extremo de la zona de respuesta lineal, y enconsecuencia slo tiene capacidad de responder a seales con una determinadapolaridad.

La corriente fluye aproximadamente medio periodo de la seal de entrada unngulo de conduccin del transistor de 180.

En estas etapas no se produce disipacin de potencia cuando la seal es nula, perorequiere la utilizacin de etapas complementarias para poder generar unarespuesta bipolar

Clase B

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Clasificacin

Un amplificador est conectado en la configuracin tipo B cuando la polarizacinde dc deja al transistor casi apagado de manera que el transistor se enciendecuando a este se le aplica una seal en ac. Es decir que le transistor conducircorriente solamente para una mitad de ciclo de la seal.

Ahora para obtener una seal de ciclo completo ser necesario utilizardos transistores y lograr que cada uno de ellos conduzca durante medios ciclosopuestos, y al tener esta operacin combinada se obtiene un ciclo completo deseal de salida.

Clase B

Ci

t

mI

pi 2 pi 3pi 4 pi

Clasificacin

Debido a que una parte del circuito empuja la seal hacia arriba durante mediociclo y la otra parte jala la seal hacia abajo durante la otra mitad del ciclo, dichocircuito se denomina de contrafase o push-pull.

Los transistores de potencia usados en el circuito en contrafase son capaces deproporcionar la potencia deseada a la carga, y la operacin en clase B de estostransistores proporciona una mayor eficiencia de la que es posible con un solotransistor en operacin de clase A.

Clase B

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Clasificacin

Est compuesta de dos transistores, uno npn y otropnp, conectados del tal forma que no pueden conduciral mismo tiempo.

Cuando el voltaje de entrada es cero ambos transistores estn inactivos, a medida que sobrepasa los VBE comienza a conducir y opera como seguidor emisor.

= y estar en corte.

Y conducir hasta que el transistor se sature, ahora cuando la seal es negativa en ms de 0.5V

comienza a conducir y opera tambin como seguidor emisor

= + y estar en corte

Clase B

Clasificacin

Clase B

S: Vi>0Qn en ON

Qp en OFF

S: Vi

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Clasificacin

Clase B

Los transistores se polarizan concorriente cero y conducen solocuando la seal de entrada estpresente.

La banda muerta, aproximadamenteentre -0.5V y 0.5V (VBE), introduceuna distorsin de salida,denominada distorsin de cruce(crossover), cuyo efecto puedeobservarse claramente en la figura.

El problema de la configuracin es que la onda de salida tiene distorsindebido a que los transistores no empiezan a conducir inmediatamente,dado que la seal en la base debe sobrepasar el umbral VBE

Clasificacin

Potencia de Entrada (dc)

La potencia proporcionada a la carga por un amplificador se toma de la fuente dealimentacin (o fuentes de alimentacin) que proporciona la potencia de entradade dc.

Donde Idc es la corriente promedio de dc que consume de las fuentes dealimentacin. El valor de consumo promedio de corriente extrada puedeexpresarse como:

Quedando como resultado:

Clase B

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Clasificacin

Potencia de Salida (ac)

La potencia entregada a la carga (referida como resistencia RL) puede calcularsecon cualquiera de varias ecuaciones:

Clase B

Clasificacin

Eficiencia

La eficiencia de un amplificador clase B puede calcularse usando la ecuacinbsica:

Usando

La ecuacin muestra que entre mayor sea el voltaje pico, mayor es la eficiencia delcircuito, hasta un valor VL (p) = VCC, siendo ah la mxima eficiencia

Clase B

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Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Para un amplificador clase B que proporciona una seal pico de 20 V a una carga de16 (bocina) y una fuente de alimentacin de VCC = 30 V, determine la potencia deentrada, la potencia de salida y la eficiencia del circuito.

Una seal pico de 20 V a travs de una carga de 16 produce una corriente de carga pico de:

El valor de cd de la corriente extrada de la fuente de corriente es entonces:

y la potencia de entrada suministrada por el voltaje de alimentacin es:

Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Para un amplificador clase B que proporciona una seal pico de 20 V a una carga de16 (bocina) y una fuente de alimentacin de VCC = 30 V, determine la potencia deentrada, la potencia de salida y la eficiencia del circuito.

La potencia de salida entregada a la carga es:

para una eficiencia resultante de:

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Clasificacin

Potencia disipada por los transistores de salida

Esta potencia disipada (como calor) es la diferencia entre la potencia de entradaproporcionada por las fuentes de alimentacin y la potencia de salida entregada ala carga.

P2Q = Pi(dc) Po (ac)

Donde, P2Q es la potencia disipada ppor los dos transistores de potencia de salida.La potencia disipada manejada por cada transistor es entonces la mitad de P2Q.

PQ = P2Q / 2

Clase B

Clasificacin

Consideraciones de Mxima Potencia

Para la operacin clase B, la potencia mxima de salida es entregada a la cargacuando VL (p) = VCC.

La corriente pico correspondiente es:

Por lo que el valor mximo de la corriente promedio de la fuente de alimentacines:

Usando esta corriente para calcular la Potencia de Entrada mxima, da comoresultado:

Clase B

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Clasificacin

Consideraciones de Mxima Potencia

Para la operacin clase B, la potencia mxima disipada por los transistores desalida no ocurre en la condicin de entrada o salida de potencia mxima. Lapotencia mxima disipada por los dos transistores de salida ocurre cuando elvoltaje de salida a travs de la carga es:

Clase B

para una disipacin de potencia del transistor mxima de:

La eficiencia mxima de un amplificador clase B tambin se puede expresar como sigue:

Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Para un amplificador clase B que utiliza una fuente de VCC = 30 V y que excita lacarga de 16 , determine la potencia de entrada mxima y la disipacin deltransistor.

La potencia de salida mxima es:

La potencia de entrada mxima extradade la fuente de voltaje es:

La eficiencia del circuito es por tanto:

como se esperaba. La potencia mxima disipada por cada transistor es:

En condiciones mximas un par de transistores que maneja cada uno 5.7 W, al menos pueden entregar una carga de 28.125 W a 16 mientras que extraen 35.81 W de la fuente.

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Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Calcule la eficiencia de un amplificador clase B para un voltaje de alimentacin deVCC = 24 V con voltajes de salida pico de: VL(p) = 22 VL(p) = 6

a)

b)

Un voltaje cercano al mximo [22 V en la parte (a)] origina una eficiencia cercana a lamxima, en tanto que una excursin de voltaje pequea [6 V en la parte (b)] sigueproporcionando una eficiencia de cerca de 20%. Excursiones de seal y de alimentacin depotencia similares produciran una eficiencia mucho ms pobre en un amplificador clase A.

Clasificacin

Clase B

Hay varias configuraciones posibles de circuito para obtener operacin clase B.

Se debe considerar las ventajas y desventajas de varios de los circuitos de ms uso.

Las seales de entrada al amplificador podran ser una seal nica, y entonces elcircuito proporcionara dos etapas de salida diferentes, cada una operando durante lamitad del ciclo.

Si la entrada est en la forma de dos seales de polaridad opuesta, podramos utilizardos etapas similares, con cada una operando en el ciclo alterno debido a la seal deentrada.

Una forma de invertir la polaridad o fase es utilizar un transformador y durante muchotiempo se ha preferido el amplificador acoplado por transformador. Se pueden obtenerfcilmente entradas de polaridad opuesta mediante un amplificador operacional con dossalidas opuestas, o utilizando algunas etapas del amplificador operacional para obtenerdos seales de polaridad opuesta. Tambin se puede lograr una operacin de polaridadopuesta con una sola entrada y transistores complementarios (npn y pnp,o nMOS ypMOS).

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Clasificacin

Clase B

amplificador acoplado por transformador

amplificador con AmpOpe.

amplificador con un Transistor

Clasificacin

Clase B

El circuito de la figura utiliza un transformadorcon derivacin central para producir seales depolaridad opuesta a las entradas de dostransistores y un transformador de salida paraexcitar la carga en un modo de operacin push-pull.

Durante el primer semiciclo de operacin, se hace queel transistor Q1 conduzca, en tanto que el transistor Q2se apaga. La corriente I1 a travs del transformador dacomo resultado el primer semiciclo de la sealentregada a la carga.

Durante el segundo semiciclo de la seal de entrada,Q2 conduce, en tanto que Q1 permanece apagado, y lacorriente I2 a travs del transformador produce elsegundo semiciclo de la carga. Entonces toda la sealdesarrollada a travs de la carga vara durante el ciclocompleto de la operacin de la seal.

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Clasificacin

Clase B

Al usar transistores complementarios (npn y pnp)podemos obtener una salida de ciclo completo atravs de una carga con los semiciclos deoperacin de cada transistor, como se muestra enla figura A.

En tanto se aplique una sola seal de entrada a labase de ambos transistores de tipo opuesto,conducirn durante los semiciclos opuestos de laentrada.

El transistor npn se polarizar para que conduzcapor el semiciclo positivo de la seal, con unsemiciclo de la seal a travs de la carga como semuestra en la figura B. Durante el semiciclonegativo de la seal,el transistor pnp se polarizapara que conduzca cuando la entrada se haganegativa,como se muestra en la figura C

Clasificacin

Clase B

Una desventaja del circuito es que necesita dos fuentesde voltaje distintas.

Otra menos obvia con el circuito complementario semuestra en la distorsin de cruce en la seal de salida(vea la figura D).

El trmino distorsin de cruce se refiere a que duranteel cruce de la seal de positiva a negativa (o viceversa)no hay linealidad en la seal de salida.

Esto se deriva de que el circuito no proporciona unaconmutacin exacta de un transistor apagado y del otroencendido en la condicin de voltaje cero. Ambostransistores pueden estar parcialmente apagados, demodo que el voltaje de salida no sigue la entrada entorno a la condicin de voltaje cero. La polarizacin delos transistores en la clase B mejora esta operacin alpolarizar ambos transistores para que permanezcanencendidos durante ms de medio ciclo.

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Clasificacin

Clase B

Una versin ms prctica de un circuito push-pull que utiliza transistores complementarios semuestra en la figura.

El circuito utiliza transistores de conexinDarlington complementarios para proporcionaruna alta corriente de salida y una bajaresistencia de salida.

Observe que la carga se excita como la salidade un emisor seguidor, de modo que laresistencia de la carga es igual a la bajaresistencia de salida de la fuente de control.

Clasificacin

Clase B Amplificador push-pull casi complementario

En circuitos de amplificador de potencia prcticos, espreferible utilizar transistores npn para ambosdispositivos de alta corriente de salida.

Como la conexin push-pull requiere dispositivoscomplementarios, se debe utilizar un transistor pnp dealta potencia.

Una forma prctica de obtener operacincomplementaria al utilizar los mismos transistores npnapareados a la salida, la proporciona un circuito casicomplementario, como se muestra en la figura.

La operacin push-pull se logra por medio detransistores complementarios (Q1 y Q2) antes de lostransistores concordantes npn de salida (Q3 y Q4).Observe que los transistores Q1 y Q3 forman unaconexin Darlington que proporciona salida a travs deun emisor seguidor de baja impedancia. La conexinde los transistores Q2 y Q4 forma un par derealimentacin, cuya semejanza proporciona un controlde baja impedancia a la carga.

El resistor R2 se puede ajustar para reducir almnimo la distorsin de cruce con la condicinde polarizacin de cd. La seal de entradanica aplicada a la etapa push-pull produceentonces una salida de ciclo completo para lacarga. El amplificador push-pull casicomplementario es la forma ms usual deamplificador de potencia.

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Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Para el circuito de la figura, calcule la potencia de entrada, la potencia de salida y lapotencia manejada por cada transistor de salida, as como la eficiencia del circuitocon una entrada de 12 V rms.

El voltaje de entrada pico es:

Como el voltaje que resulta a travs de la carga es idealmente elmismo de la seal de entrada (el amplificador tiene, del mismomodo, una ganancia de voltaje unitaria),

Para Calcular Potencias:

Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Para el circuito de la figura, calcule la potencia de entrada, la potencia de salida y lapotencia manejada por cada transistor de salida, as como la eficiencia del circuitocon una entrada de 12 V rms.

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Clasificacin

Clase B

Ejemplo

Para el circuito de la figura, calcule la potencia de entrada, la potencia de salida y lapotencia manejada por cada transistor de salida, as como la eficiencia del circuitocon una entrada de 12 V rms.

Clasificacin

Clase B

La conexin del amplificador en contrafase a la carga, puede ser:

Usando dos alimentaciones de voltajeUsando una alimentacin de voltaje

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Clasificacin

Clase B

Operacin con fuente nica

Si se desea operar la etapa de salidaclase B con una sola fuente dealimentacin se deber acoplar lacarga de manera capacitiva como lomuestra la figura y para que losclculos sigan siendo validosalimentamos con una fuente igual a2

Clasificacin

Clase B

DISTORSIN DE UN AMPLIFICADOR

Una seal senoidal pura tiene una sola frecuencia a la cual el voltaje vara de positivo a negativoen cantidades iguales.

Cualquier seal que vare durante menos del ciclo completo de 360 se considera que tienedistorsin.

Un amplificador ideal es capaz de amplificar una seal senoidal pura para transformarla en unaversin ms grande, y la forma de onda resultante es una seal senoidal pura de una solafrecuencia.

Cuando ocurra la distorsin, la salida no ser un duplicado exacto (excepto por lo que se refierea la magnitud) de la seal de entrada.

La distorsin puede presentarse porque la caracterstica es no lineal, en cuyo caso se presentadistorsin no lineal o de amplitud. Esto puede ocurrir con todas las clases de operacin de unamplificador. La distorsin tambin puede presentarse porque los elementos y dispositivos delcircuito responden a la seal de entrada de forma diferente en varias frecuencias, y esto es loque se conoce como distorsin de frecuencia.

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Clasificacin

Clase B

DISTORSIN DE UN AMPLIFICADOR

Una tcnica para describir formas de onda distorsionadas excepto las peridicas utiliza elanlisis de Fourier, un mtodo que describe cualquier forma de onda peridica en funcinde su componente de frecuencia fundamental y componentes de frecuencia en mltiplosenteros; estos componentes se llaman componentes armnicos, o simplementearmnicos.

Por ejemplo, una seal que originalmente es de 1000 Hz podra transformarse, despusde la distorsin, en un componente de frecuencia de 1000 Hz (1 kHz) y componentesarmnicos de 2 kHz (2 x 1 kHz), 3 kHz (3 x 1 kHz), 4 kHz (4 x 1 kHz), etc.

La frecuencia original de 1 kHz se llama frecuencia fundamental; las de mltiplos enterosson los armnicos. El componente que est a 2 kHz se llama, por consiguiente, segundoarmnico, el que est a 3 kHz es el tercer armnico, etc. La frecuencia fundamental no seconsidera como un armnico.

El anlisis de Fourier no permite frecuencias armnicas fraccionarias, slo mltiplosenteros de la fundamental.

Clasificacin

Clase B

DISTORSIN ARMNICA

Se considera que una seal sufre distorsin armnica cuando hay componentesarmnicos de frecuencia (no slo el componente fundamental). Si la amplitudde la frecuencia fundamental es A1 y la amplitud del componente n-simo de lafrecuencia es An,una distorsin armnica se puede definir como:

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Clasificacin

Clase B

DISTORSIN ARMNICA

Una especificacin comn en los amplificadores de alta fidelidad es la distorsin armnica total. En los amplificadores de alta calidad, esta distorsin puede ser inferior al 1%, o incluso menos de 0,5% desde 20-20.000 Hz.

Clasificacin

Clase B

Etapa de simetrasemicomplementaria declase B, que utilizatransistores npn paraambos dispositivosprincipales de salida

Amplificadorcomplementariode clase B queutiliza transistoresen configuracinDarlington

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[1] Cuttler, P. (1972). Linear Electronics Circuits, McGraw-Hill.

[2] Savant, Roden, Carpenter (1993). Diseo Electrnico. Addison-Wesley.

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[5] Dede, E, Espi, J (1983) Diseo de Circuitos y Sistemas Electrnicos, Marcombo

Bibliografa