Trabajo Electrónica Analógica II cap 14
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Universidad Politécnica Salesiana Electrónica Analógica II Ingeniería Electrónica 5to Nivel Tema: Amplificadores de Potencia Integrantes: Fernanda Sinchire Eduardo Medina Andrés Valle Diego Duque Jonathan Echeverría 2010-03-11
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Amplificadores de Potencia
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Universidad Politécnica Salesiana
Electrónica Analógica II
Ingeniería Electrónica 5to Nivel
Tema: Amplificadores de Potencia
Integrantes:
Fernanda Sinchire
Eduardo Medina
Andrés Valle
Diego Duque
Jonathan Echeverría
2010-03-11
AMPLIFICADORES DE POTENCIA
Introducción
Los amplificadores funcionan como etapa de entrada o intercambio o ambas para obtener
una ganancia grande de voltaje o corriente. Para las etapas de salida de los
amplificadores de potencia de audiofrecuencia son significativamente distintos.
Clasificación de los Amplificadores
Los amplificadores se clasifican en cuatro tipos: La clase A, B, AB Y C y su
clasificación se basa en la forma de onda de la corriente.
Clase A Clase B
Clase AB
Clase C
Corrientes de colector para diversas clases de amplificadores.
La corriente de polarización de cd del Ic de un transmisor es
mayor que la amplitud pico de la corriente de salida de ca Ip.
El transmisor esta polarizado con una corriente de cd igual a
cero y conduce durante solo medio ciclo da la señal.
El transmisor esta polarizado con una corriente de cd distinta a
cero, mucho menor que la amplitud pico de la corriente de salida
ca.
El transmisor conduce durante un intervalo menor que
un semiciclo.
Seguidores de Emisor
El seguidor de emisor polarizado utilizando una fuente activa de corriente, es la etapa de
salida de uso común.
Pude reemplazarse por una fuente
de corriente. La excursión de voltaje pico a
pico aumenta a un nivel mayor.
Diagrama de un amplificador de Clase A
Característica de Transferencia
Si se pune que la caída de voltaje en el diodo es VD1= o.7 v, la caída de voltaje base emisor de un
transmisor es VBE= 0.7 v y la ganancia en corriente del transmisor βF<<1
Aplicando LKV se obtiene: Corriente de referencia:
El voltaje de salida:
Formas de Señal
El seguidor de emisor tiene una impedancia de entrada elevada u una ganancia baja,
prácticamente unitaria. Sin embargo, tiene un voltaje de offset de aproximadamente
-VBE≈-0.7V a Vi=0V.
Amplificadores Clase A
Amplificador de emisor común
básico
Es el más sencillo y carece de estabilidad en su polarización y no es adecuado para
amplificadores de potencia.
La característica de transferencia es que el voltaje esta relacionado con la
corriente de colector IC mediante:
El voltaje de salida es:
Característica de la Transferencia
La potencia promedio de cd requerida de la fuente de alimentación esta dada por:
La carga promedio esta dada por:
Los valores picos del voltaje y corriente se pueden expresar:
La potencia máxima:
La eficiencia de conservación:
La eficiencia Máxima
La misma que se convierte en:
Es por eso que bajo condiciones ideales, la eficiencia máxima de un amplificador de la clase A es de 25%
La disipación máxima del colector esta dada por:
Amplificadores de Emisor
Común
Debido a su elevada ganancia en voltaje, las etapas de emisor común se usan como excitadores de
la etapa de salida en el diseño de circuitos integrados.
Amplificador clase A con carga acoplada por
transformador
Amplificador con carga acoplada por transformador
La eficiencia de un amplificador se puede mejorar con una carga acoplada por transformador. La eliminación de la resistencia de colector Rc utilizada para la polarización de cd, es responsable del incremento en la eficiencia.
El transformador de la etapa de salida proporciona un acoplamiento de impedancia con el fin de transferir la potencia máxima a la carga. Una carga, como la impedancia de un altavoz, por lo general es muy pequeña, normalmente de 4 a 16 Ohmios.
La característica de transferencia esta dado por:
Donde ns y np se refieren a los devanados secundario y primario, respectivamente; VsL y VpL, a los voltajes del primario y del secundario, respectivamente; IsL e IpL, a las corrientes en el primario y en el secundario, respectivamente. La resistencia efectiva de la carga referida al primario se puede determinar de:
Los valores pico del voltaje de salida y de la corriente en el primario del transformador son:
Y según la ecuación de la eficiencia máxima de una etapa de clase A se duplica utilizando un
transformador acoplado con la carga. El valor de para una etapa acopladora por
transformador es mientras que para el amplificador de emisor común básico es solo .
Ecuación de la potencia máxima de la carga.
La disipación máxima del colector es:
Las relaciones de voltaje y
corriente del transformador de salida son:
VpL=(np/ns)VsL IpL=(ns/np)IsL
La sustitución de las ecuaciones anteriores nos da:
Por lo consiguiente la cifra de mérito de un amplificador clase A acoplado con un
transformador es la misma que la correspondiente a la etapa de emisor común básica.
Ejemplo: Diseño de un Amplificador Clase A
Amplificadores clase B en contrafase
En un amplificador clase B en contrafase se emplean dos transistores complementarios (un transistor npn y un transistor pnp) para llevar a cabo la operación de contrafase. En esta sección se analizan dos tipos de amplificadores clase B.
Para VI> O, el transistor QP se mantiene desactivado y el transistor QN opera como seguidor de emisor. Para un valor suficientemente grande de v1 QN se satura y el voltaje de salida máximo positivo es:
Amplificador clase B
complementario en contrafase
Si se supone que los transistores son idénticos, con , el voltaje de salida
está dado por:
Suponiendo que: y que
La corriente promedio del colector de un transistor se puede obtener a partir de:
Para vI< O, el transistor QN se mantiene desactivado y el transistor QP
funciona como seguidor de emisor. Para un valor negativo losuficientemente grande de vj, QP se satura y el voltaje de salida máximonegativo es:
Potencia de Salida Y Eficiencia
Por lo consiguiente, la eficiencia máxima en potencia es:
En consecuencia, la eficiencia máxima de un amplificador clase B complementario en
contrafase es mucho más elevada que la de uno de clase A.
La disipación promedio de potencia del colector para ambos transistores está dada por:
La ecuación de potencia máxima de colector se puede obtener derivando Pc de la anterior
ecuación, esto es:
Mediante sustitución de , así como de las ecuaciones anteriores se obtiene la
disipación máxima en el colector.
Por tanto, la cifra de mérito para los amplificadores clase B excede la de los de clase A en un factor de diez. La disipación nominal de potencia de los transistores es de aproximadamente la quinta parte de la potencia de salida, y esto da como resultado disipadores de calor mucho más pequeños, los cuales son necesarios para mantener dentro del límite máximo permisible la temperatura de la unión de los transistores de potencia.
AMPLIFICADOR CLASE B
EN CONTRAFASE
ACOPLADO POR
TRASFORMADOR
La potencia de entrada promedio,
suministrada por la fuente de cd,
es:
La potencia máxima de salida es:
RECTA DE CARGA DE UN SOLO
TRANSISTOR
Donde la resistencia efectiva de
la carga R’L (referida al primario
de TX2) está dada por
Por tanto, la máxima
eficiencia en potencia es
La eficiencia máxima de un amplificador clase B en
contrafase acoplado por transformador es mucho
más grande que la correspondiente a un
amplificador clase A.
La disipación promedio de potencia en el
colector para ambos transistores está dada
por las ecuaciones
La corriente pico para la
disipación máxima de
potencia en el colector es
El voltaje pico para la
disipación máxima de energía
en el colector
Disipación máxima en el
colector
Se puede obtener la cifra mérito a
partir de las ecuaciones obtenidas
anteriormente de la siguiente
manera:
Polarización de cd
El resistor y la batería que se
muestran en la figura,
proporciona el voltaje base-
emisor de cd
Como puede
observarse en la figura,
en lugar de una fuente
de alimentación
adicional se utiliza la
fuente de alimentación
Vcc, con un divisor de
voltaje adecuado.
Se escogen R1 y R2 de manera que
VBE=0.7V. La combinación en
paralelo de R1 y R2 se mantiene
tan pequeña como sea posible, de
manera que 2RBIB1<<VBE, lo que
se consigue al hacer que
2RBIB!=0.1VBE. Dado que la caída
de voltaje en el diodo es similar al
voltaje base-emisor de un
transistor, a menudo se utiliza un
diodo de silicio en lugar de la
resistencia R1 como se indica en la
figura
AMPLIFICADORES
CLASE AB
COMPLEMENTARIOS
EN CONTRAFASE
La distorsión por un amplificador clase B complementario
en contrafase se minimiza o es eliminada con un
amplificador clase AB, en el cual los transmisores funcionan
en la región activa cuando el voltaje de entrada v1 es
pequeño. Los transistores se polarizan de tal forma que
cada uno de ellos conduce para una pequeña corriente de
polarización IQ cuando V1=0V.
Eliminación de la zona
muerta en un
amplificador clase AB
Características de
transferencia
El voltaje de salida está
dado por
El cual, para transistores idénticos con
VBE=VEBP y VBB/2=VBEN, da vo=v1. Por
tanto, se elimina la mayor parte de la
distorsión por cruce. Para un vo positivo,
fluye una corriente io por RL. Esto es,
Cualquier incremento en iN causa un
incremento correspondiente en VBEN, por
encima del valor de polarización de VBB/2.
Dado que VBB debe conservarse
constante, el incremento en VBEN causa
un decremento igual en VEBP y, por tanto,
en ip. Por consiguiente,
Expresado en función de la
corriente de saturación Is se
convierte en
Al simplificar se
obtiene
Potencia de salida
Las relaciones de potencia en los amplificadors
clase AB son idénticas en los clase B, excepto en
que el circuito de clase AB disipa una potencia de
polarización IQVcc por cada transistor. Por tanto,
se puede determinar la potencia promedio
suministrada por la fuente de cd como
Polarización con
diodos
Tenemos un problema serio cuando las
temperaturas de QN y Qp aumenta como
resultado de su disipación de potencia.
Recuérdese que el valor de VBE para una
corriente dada disminuye con la
temperatura a una tasa aproxiamda de
2.5mV/ºC.
Por tanto, si el voltaje de polarización
VBB/2 se mantiene constante con la
temperatura, VBE(=VBB/2) también se
conserva constante, y la corriente de
colector se incrementa conforme aumente
la temperatura.
Este fenómeno, en el que un mecanismo de
retroalimentación positiva lleva a una elevación
excesiva de la temperatura se conoce como
embalamiento térmico. A menos que los
transistores estén protegidos, el embalamiento
térmico los puede llevar a su destrucción.
A fin de evitar el embalamiento
térmico, los voltajes de polarización
deben reducirse a medida que
aumenta la temperatura.
Una solución consiste en
utilizar diodos que
tengan un efecto de
compensación.
Cuando la corriente de carga se hace
máxima se debe tener
En consecuencia, se puede
determinar los valores de R1 y
R2 a partir de
Polarización con diodos y
con una fuente activa de
corriente
En los circuitos integrados, en vez de diodos, se utilizan
transistores con el colector en cortocircuito. Si QN y Qp deben
manejar grandes cantidades de potencia, su geometría
también debe ser grande.
No obstante, los
diodos pueden ser
dispositivos más
pequeños, de manera
que IR=IQ/n,
Características de
transferencia
El voltaje entre las bases de Qp y
QN es igual a la caída de voltaje a
través de los dos diodos, esto es
El voltaje base a emisor de QN está
dado por
Por tanto, las uniones base
emisor de QN y de Qp
estarán siempre con
polarización directa.
Debido a la existencia de los diodos D1 y
D2, cuando, cuando v1=0V, QN y Qp
permanecen en la región activa. El
voltaje de salida Vo está dado por
Característica de Tranferencia y formas de onda de la corriente
Polarización con un
multiplicador VBE
Este circuito puede ajustar automáticamente el voltaje de polarización VBB.
El circuito está formado por un transistor Q1 con un resistor R1 conectado
entre su base y su emisor y un resistor de retroalimentación RF conectado
entre el colector y la base.
FÓRMULAS
EJERCICIO
Diseñar un multiplicador de VBE para el amplificador clase AB de la
figura a fin de proporcionar una corriente de polarización de IR
=5.67 mA. Suponer que VCC = VBE =0.7 V y RL =50Ω además una
corriente mínima IM(mín) = 1mA para el multiplicador e I = 2 mA.
Dado que la fuente de corriente debe proporcionar la corriente de base cuando la corriente de carga es máxima se tiene que:
La corriente mínima por el multiplicador debe ser IM(mín) = 1mA. Sean IM(mín) /2 = 0.5 mA e I IC(mín) = IM(mín) /2 = 0.5 A. Si Ic es demasiado pequeña, el transistor Q1 estará desactivado. Lo cual no es deseable.
Por tanto :
En consecuencia el valor de Rf es:
CIRCUITO CLASE AB COMPLEMENTARIO EN
CONTRAFASE, CON MULTIPLICADOR DE VBE
Para este ejercicio se tiene que Vo(máx) = 11.13 V, Vo = 794.3mV con VI = -
796mV .En las siguientes gráficas podemos observar que hay desplazamiento.
Aspectos Principales
El amplificador clase AB
complementario es la etapa de salida
de uso más común.
Los amplificadores clase AB exhiben
un voltaje de salida de desvío cuando
el voltaje de entrada es cero
AMPLIFICADORES CLASE AB
CUASICOMPLEMENTARIOS EN CONTRAFASE
Debido a que los capacitores pnp tienen una capacidad limitada de
corriente, la etapa de salida complementaria solo es adecuada para
entregar una potencia de carga del orden de los miliwatts o menos.
FÓRMULAS
La corriente de colector QP está dada por:
La corriente compuesta del colector I es la corriente del emisor de QN1:
Etapa de salida de la clase AB cuasi complementaria
Transistor pnp equivalente
Aspectos Principales
Este amplificador utiliza un transistor pnp, compuesto, que puede entregar
una potencia de salida mas grande que un dispositivo pnp normal.
Este amplificador es similar al de la clase B con la diferencia que
este se polariza ligeramente hacia la conducción, de manera
que por Q1 y Q2 fluya una corriente de polarización IQ.
AMPLIFICADORES CLASE AB EN CONTRAFASE
ACOPLADOS POR TRANSFORMADOR
Los efectos no lineales y la distorsión se pueden eliminar aplicando una retroalimentación negativa en serie-paralelo. El amplificador tiene tres etapas, la de emisor común, un seguidor de emisor y un y una etapa de salida de alta potencia
La ganancia total en voltaje Af depende en gran parte de la red de retroalimentación, por lo que:
EJEMPLO
Amplificador clase AB acoplado por transformador, con retroalimentación en serie-paralelo
PROTECCIÓN CONTRA CORTOCIRCUITO Y
PROTECIÓN TÉRMICA
La etapa de salida normalmente está protegida contra
cortocircuito y contra una elevación excesiva de
temperatura
ASPECTOS
-Los transistores de una etapa de salida normalmente están protegidos contra las corrientes excesivas que resultan de cortocircuitos. -La protección térmica se obtiene aprovechando el coeficiente negativo de temperatura de un transistor y el coeficiente positivo de temperatura del diodo zener.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES DE POTENCIA
Los amplificadores operacionales tienen algunas características deseables,
como una ganancia de lazo abierto muy grande (> ), una impedancia de
entrada muy alta (hasta ) y una corriente de polarización de entrada
muy baja.
Protección contra corto circuito y protección térmica
Este circuito está formado por dos transistores Q1 y Q2 , tres resistencias R1, R2, R3 y un diodo zener. La elevación máxima permisible de temperatura ΔT se puede calcular a partir de:
Estructura de un amplificador operacional
EL CIRCUITO PUEDE DIVIDIRSE EN TRES ETAPAS:
↓ ↓ ↓
Etapa diferencial
Constituido por dos
transistores polarizados
con otro, q consumen
la corriente de base.
Es una configuración de emisor
común, conectado dos
transistores como par
Darlington, en la q un capacitor
es de compensación para
separar los polos.
AMPLIFICADOR OPERACIONAL DE POTENCIA LM380
↓
Esta diseñado para funcionar con una sola fuente de alimentación, en
un rango de 12-22V. La potencia de salida puede ser 5w. La distorsión
del voltaje de salida es menor al 3%. Se puede dividir en tres etapas:
↓ ↓ ↓
Etapa de ganancia Etapa de salida
Está formada por varios
transistores y por diodos q
proporcionan el voltaje, se
conecta un capacitor
pequeño para ofrecer una
baja impedancia .
Etapa de entrada Etapa de ganancia Etapa de salida
Esta formado por
transistores pn, están
polarizados entre si
atreves de una corriente
de cd q proviene de la
terminal de salida. Los
resistores proporcionan
trayectorias de cd a tierra
para las corrientes de
base
Tiene una
configuración de
emisor común, el
transistor sirve como
carga activa de fuente
de corriente para la
ganancia , una
capacitor de
compensación para dar
un ancho de banda
Es circuito clase AB
cuasicomplementario en
contrafase. Esta formado por
transistores, los diodos
proporcionan voltaje de
polarización , los resistores dan
estabilidad a la misma. Como
resultado aumenta el voltaje de
la base y corriente, aumenta la
corriente de colector por un
transistor y la de base baja, por
tanto Vo disminuye
Para obtener Vo vas a suponer que todos los transistores son idénticos, y que las corrientes de
base son despreciables, en comparación con el emisor. La corrientes de polarización del emisor
se pueden calcular a partir de:
↓
↓
Asimismo, la corriente de emisor de Q4 se puede calcular con:
↓
Donde V0 es el voltaje de salida de cd. Para = , se tiene:
↓
Que, para R1=2R2, da el voltaje de salida de cd como:
↓
Por consiguiente, para , q es lo mas común, el voltaje de salida de cd es
aproximadamente la mitad del voltaje de alimentación . Esta es .
AMPLIFICADOR DE PUENTE
↓
La potencia de salida se pued duplicar utilizando 2 amplificadores operacionales de potencia. Esta configuración se conoce como amplificador de puente, se emplea en
aplicaciones de alta potencia. El voltaje de entrada V1 se aplica tanto en la entrada no inversora de los amplificadores, como en la entrada, de manera q los voltajes de salida
están defasados . La salida del amplificador no inversor es:
↓
↓
El voltaje de salida del amplificador inversor es:
↓
El voltaje atreves de la carga se convierte en:
↓
El que para , es
Donde Af es la ganancia de voltaje de lazo cerrado de cada uno de los amplificadores
CONSIDERACIONES TÉRMICAS
↓
Los transistores de potencia disipan una gran cantidad de potencia. La disipación potencia se convierte en calor. La corriente nominal de los transistores de potencia puede llegar hasta los
500A, con una disipación de potencia hasta de 200W. Los transistores de potencia deben estar protegidos contra un aumento excesivo de la temperatura. Los transistores de silicio, esta en el
rango de
RESISTENCIA TÉRMICA
↓
Es una medida de la transferencia de calor. Ésta es la caída de temperatura dividida entre la disipación de potencia, en condiciones de estado estable. La resistencia térmica del flujo de
calor, desde la unión hasta el ambiente, está dada por:
↓
↓
La ecuación representa el proceso de transferencia de calor, y es análoga a la ley de Ohm.
DISIPACIÓN DE CALOR Y FLUJO DE CALOR
↓
Con el fin de mantener la temperatura de la unión por debajo, el transistor de monta sobre un disipador de calor que facilita la eliminación del calor del dispositivo hacia el aire circundante.
El calor se transfiere del dispositivo al aire mediante uno de tres métodos:
↓ ↓ ↓
La disipación de potencia esta relacionada con la temperatura de la unión y con la
temperatura ambiental mediante.
↓
Radiación desde aletas de enfriamiento hasta el aire. La transferencia de calor dependerá de la capacidad de emisión de la superficie y del área, así como de la diferencia de temperatura entre las aletas radiantes y el aire.
Conducción desde la unión hasta el encapsulado atreves de una resistencia térmica
, y del encapsulado al
disipador de calor atreves de una resistencia térmica
Convección desde el encapsulado asta el ambiente a través de una resistencia térmica , y del disipador de calor al ambiente a través de una resistencia térmica .
DISIPACIÓN DE POTENCIA EN FUNCIÓN DE LA
TEMPERATURA
↓
La temperatura ambiente y la temperatura en el encapsulado están relacionadas con la disipación de potencia Pd mediante:
↓
↓
La disipación de potencia, a una temperatura del encapsulado , se puede determinar a partir de:
↓
DISEÑO DE AMPLIFICADORES
DE POTENCIA
↓
El diseño de un amplificador de potencia consiste principalmente en el diseño de la etapa de salida, que tiene los siguientes pasos:
↓ ↓ ↓ ↓
Identificar las especificaciones de la etapa de salida
Seleccionar el tipo de operación de salida
Determinar los valores nominales de voltaje y de corriente de los transistores
Determinar los valores nominales y la potencia de todos los resistores
↓ ↓ ↓ ↓
8. Utilizar PSpice/SPICE para simular y verificar el diseño, utilizando los valores estándar de los componentes junto con sus tolerancias
5. Seleccionar el tipo de circuito de polarización de cd. Determinar las especificaciones de los componentes activos y pasivos
6. Seleccionar los transistores de potencia que cumplan con los requerimientos de voltaje, corriente y potencia.
. Determinar la disipación de potencia de los transistores y la resistencia térmica deseada del disipador de calor
