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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
Amplificadores de Potencia
Electrónica Analógica II
INTEGRANTES: Berenice Arguero T. Armando Alomoto Danilo Sigcha T. Vinicio Méndez. Guillermo Quinteros.
5to Ingeniería Electrónica
Quito, 11 de Marzo del 2010
Introducción
REQUERIMIENTOS EN ETAPAS DE SALIDA
La etapa de salida debe:
Entregar una potencia apreciable.
Ser capaz de manejar cargas de baja impedancia.
La distorsion de la señal debe ser baja.
La distorsion se mide con un factor de calidad TDH (distorsion armónica total).
El TDH de los amplificadores de alta fidelidad es inferior a 0,1%.
TDH es el valor rms de los componentes armónicos de la señal de salida
REQUERIMIENTOS EN POTENCIA DE cd
La potencia dc debe ser lo mas pequeña posible para que la eficiencia sea muy grande
El aumento en eficiencia disminuye la potencia entregada por la fuente y la potencia disipada por el transistor
Baja potencia de cd minimiza el tamaño de disipadores y puede eliminar la necesidad de ventiladores.
Los requerimientos de los amplificadores de potencia son distintos a los amplificadores de baja potencia
Clasificación de los amplificadores de Potencia
CLASE C
El transistor conduce un
intervalo menor que un semiciclo.
El ángulo de conduccion es Ɵ=180º
ic=Ip senwt
Las mitades negativas de la corriente del colector son aportadas por otro
transistor.
La corriente del colector tiene
distorsión mucho mayor que la corriente generada por los otros
amplificadores.
Son utilizados en amplificadores de radiofrecuencia.
CLASE AB
El transistor está polarizado con una
corriente cd distinta de cero mucho menor a la amplitud pico de la corriente de salida
ca.
Conduce poco más de la mitad de un ciclo de
la señal de entrada.
El ángulo de conducción es mayor a 180º y mucho
menor a 360º.
180<Ɵ<<360º
ic=Ic+Ip senwt
Ic<Ip
Las mitades negativas de la onda senoidal son aportadas
por otro transistor que funciona como clase AB y
conduce un intervalo ligeramente superior al
semiciclo negativo.
Las corrientes de ambos transistores forman las
corrientes de carga por eso conduce durante un
intervalo cercano a cero.
CLASE B
El transistor está polarizado con
una corriente de cd igual a 0.
Conduce solo medio ciclo de
la señal de entrada.
El ángulo de conducción es
Ɵ=180º.
ic=Ip senwt
Las mitadesnegativas de la ondasenoidal sonaportadas por otrotransistor quefunciona en tipo B yconduce durante lossemiciclos alternos.
CLASE A
La corriente de polarización cd del colector Ic es mayor que la amplitud de la corriente de salida de ca Ip.
El transistor de un amplificador clase A conduce durante todo el ciclo de señal de entrada.
El ángulo de conducción es:
Ɵ =wt =360º.
ic=Ic+Ip senwt
Ic>Ip
La clasificacion se basa en la forma de onda de corriente del colector producida por una señal
senoidal de entrada
Seguidores de Emisor
CARACTERISTICAS
Impedancia de salida baja.
Impedancia de entrada muy grande.
Ganacia en voltaje casi unitaria.
Valor grande de la resistencia de carga.
FORMAS DE LA SEÑAL
Despreciando el voltaje de
saturación el voltaje de salida Vo puede variar desde -Vcc hasta
Vcc.
POTENCIA DE SALIDA Y EFICENCIA
La eficiencia y potencia de
salida vienen dadas porlas
formulas:
CARACTERISTICA DE TRANSFERENCIA
Cuando V1=0 es decir Vo=-VBE la
caracteristica tiene un voltaje de offset por lo
tanto para Ic>0 q esta activado y
se desactiva cuando Ic=0 e
Io=-IR
Un seguidor de emisor es un amplificador tipo A.
Amplificador Clase A
Caracteristicas
Carece de estabilidad en su
polarizacion
No es adecuada para
amplificadores de potencia
Se utiliza para deducir la eficiencia
en potencia
La eficiencia puede incrementar hasta 50% con una carga
acoplada por transformador
Conduce una corriente continua de polarización. La eficiencia máxima en potencia es solo del 25% de la cifra de merito que
es la relación de la disipación máxima de potencia de colector
respecto a la potencia de salida máxima .
Características de trasferencia:
El Vin esta relacionada
ala Ic
La Potencia de salida y eficiencia esta dada
por:
Ps =Vcc.Ic
La eficiencia de la conversión
η=Pl/Psx100%
Carga promedio o potencia de salida PL=VpIp/2 ,Vp e Ip
son valores pico
Vpl=(np/ns)Vsl Ipl=(ns/np)Isl
ns, np son los devanados
Calidad Del Amplificador
Fm=Pc(máx)/Pl (máx) y esta dada
por:
Pc=VccIc/2Fm=
(VccIc/2)/
(VccIc)
ηmáx=
2Vcc(2Ic)/8VccIc=50%
Amplificador de emisor= Vcc/2
Caracaterísticas De Transferencia
Vo=Rl(Ir-ic1)
Se tiene que:
Vo=RlIr=Rl=(Vcc-VBE2)/R1
Vo < V salida +
máx (Vcc-Vce(sat))
y Rl≥R1
Aumenta el Vin e
Iq se incrementa
Amplificador Clase B en contrafase
Un amplificador clase b en
contrafase tiene un transistor pnp y un npn seguidos
uno de otro
La eficiencia de potencia máxima es
78.5%
La cifra de merito máxima es de solo
20%
La corriente de polarización de cd es
cero
Conduce solo en 180º, es
decir, medio ciclo
Características
Vi>0 Vce(max)=Vcc-VcE1(sat)
El transistor Qp se
mantiene desactivado
Qn opera como
seguidor de emisor
Vi<0
-VcE(max)=-(Vcc-VcE(sat))=
-Vcc+VcE2(sat)
Qn se mantiene desactivado y Qp
funciona como seguidor de emisor
Minimización De La Zona
Muerta
Mediante una retroalimentación con un amplificador operacional
Se limita la I extraída del amplificador operacional
Conexión de serie y paralelo sin que Vo y Vi difieren en
VbE/A=10⁵
Se reduce a 7uV R1
Forma De Onda De La Señal
2Pc=Pcd-Pl
Fm=Pc(max)/Pl(max)
Vcc²/Π²R’l/Vcc²/2Rl
=20%
La recta de carga de ca Icd=2(Ic1)=2Ip/Π
R’l0(np/ns)²Rl
η(max)=Pl(max)/Pdc=78.5%
Eficiencia potencial
η=Pl/Ps=(Π/4)(Vp/Vcc)
η=50% cuando Vp=2Vcc/Π
η=78.5% cuando Vp=Vcc
La potencia esta dada por:
PL(max)=I²pRl/2=V²cc/2Rl
Polarización
Etapa de ganancia Q1 yQ2 voltaje de polarización VbE
Vi<0 Q2 desactivado Q1 funciona como
amplificador
Vi>0 Q1 desactivado Q2 funciona como
amplificador
Se utiliza la fuente de alimentación Vcc
como un divisor de voltaje
La caída de voltaje del diodo es similar
al voltaje base-emisor del transistor
Amplificador Clase AB complementarios
en contrafase
Características
Es similar al amplificador
clase B
Tiene una polarización de cd aun cuando
el voltaje de entrada es cero
Comúnmente el amplificador se
polariza con diodos y con una fuente activa
de corriente
Los amplificadores de clase AB exhiben un voltaje de salida de
desvío
Cuando el voltaje de
entrada es cero
Se puede aplicar retroalimentación para reducir el voltaje offset
Amplificadores clase AB en
cuasicomplementarios en contrafase
Debido a que los transistores pnp tienen una capacidad limitada de corriente, la etapa de salida complementaria sólo es adecuada para entregar una potencia de carga de unos cuantos cientos de miliwatts o menos.
Si se requiere una potencia de salida de varios watts o más, deberán utilizarse transistores npn
Partiendo de un transistor pnp QP y de un transistor npn de alta potencia QN1, se puede fabricar un transistor pnp compuesto. Esta configuración, se conoce como etapa de salida cuasicompletaria
Etapa de salida de clase AB cuasicomplementaria
El amplificador cuasicomplementario utiliza un transistor pnp, que puede entregar una potencia de salida más grande que un dispositivo pnp normal.
Transistor pnp equivalente
Estrucutura
El par formado por QP y QN1 es equivalente a un transistor pnp. La corriente del colector de
QP ésta dada por: T
EBPSCP
V
VII exp
La corriente compuesta del colector IC es la corriente del emisor de QN1
P
EBP
SfeCPfeCV
VIhIhI exp)1()1(
El transistor pnp compuesto puede ser remplazado por una combinación MOS-bipolar que se conoce como PMOS compuesto. La característica de transferencia total del PMOS compuesto está dada por:
2)(2
)1()1( tGS
on
feDPfeD VVL
WChIhI
Por tanto, el PMOS compuesto tiene una relación W/L que es (1+ hfe ) veces mas grande que la correspondiente a un dispositivo PMOS normal.
PMOS equivalente
Amplificador clase AB acoplado por transformador, con
retroalimentación en serie-paralelo
DEFINICIÓN
Amplificadores clase AB en contrafase
acoplados por transformador
CIRCUITO
El circuito amplificador clase AB es
idéntico al de clase B, excepto en
que se polariza ligeramente hacia la
conducción, de manera que por Q1
y Q2 fluya una corriente de
polarización IQ
CARACTERISTICAS DE CIRCUITO
*La corriente IQ se obtiene haciendo que VBB sea un poco mayor que VBE=VBE1(=VBE2≈0.7V).
*Se pueden seleccionar los resistores R1 y R2 para obtener el valor deseado de VBB.
*Los amplificadores acoplados por transformador ofrecen una elevada eficiencia en potencia, sufren de no linealidades y de distorsión por las características no lineales de los transformadores.
*Etapa de salida para una salida de alta potencia.
*Un seguidor de emisor para acoplamiento de impedancia
*Etapa de emisor común para ganancia de voltaje
*El amplificador tiene
3 etapas:
*Los efectos no lineales y la distorsión se pueden eliminar aplicando una retroalimentación negativa en serie – paralelo.
La retroalimentación en serie –paralelo
le da al amplificador las características
deseables de una baja impedancia de
salida y una elevada impedancia de
entrada. La ganancia total en voltaje
Af. Depende en gran parte de la red de
retroalimentación, por lo que;
Protección contra cortocircuito y
protección térmica
La etapa de salida normalmente está protegida contra cortocircuito y contra una elevación excesiva de la temperatura.
Protección Térmica Protección contra cortocircuito
Transistor y un resistor
Si ocurre un cortocircuito en la carga , una gran corriente fluirá por ,produciendo un alto voltaje . El transistor se activa llevándose una gran corriente de polarización , reduciendo la corriente de base de
a un nivel seguro.
caídas de voltaje de los resistores
de emisor disminuirán el voltajes
de salida ; estabilizan la
corriente de polarización
protegiendo a , y contra el
embalamiento térmico.
Dos transistores y tres resistores y un diodo
zener
El transistor esta desactivado. Si la temperatura aumenta , el voltaje
disminuye, por el coeficiente negativo de temperatura de , y el voltaje zener aumenta. El voltaje en el emisor de se eleva y el voltaje de la base de también aumenta. Si la elevación de la temperatura es adecuada, se activa y se desvía la corriente de referencia del amplificador, desconectándolo .
La elevación máxima permisible de temperatura esta dada por:
Funcionamiento
Funcionamiento
Formado
Formado
Amplificadores operacionales de
Potencia
Tiene una ganancia de lazo abierto muy grande( > )
La impedancia de entrada muy alta ( hasta )
Corriente de polarización de entrada muy baja
La potencia de salida ca por lo general es baja
Consiste de los transistores ; polarizan a
las transistores El transistor proporciona corriente positiva de la carga hasta que el voltaje de ,lo que activa a quien proporciona corriente adicional de la carga. La etapa formada por y Alimenta la corriente a la carga, y actúa como elevador de corriente.
y estabilizan la polarización .
Los amplificadores de potencia de circuito integrado se conocen como amplificadores operacionales de potencia. Están conformados por una etapa diferencial, una etapa de ganancia y una etapa de salida con un elevador de corriente.
Los amplificadores operacionales de potencia normalmente se utilizan con retroalimentación, y están compensados para la respuesta en frecuencia mediante una capacitancia interna en la ganancia.
Características
Estructura
Amplificadores de potencia de circuito integrado
Existe una gran cantidad de amplificadores de potencia que combinan una pastilla convencional de amplificador operacional con un elevador de corriente. Algunos ya cuentan con una retroalimentación negativa interna que da una ganancia en voltaje de lazo cerrado fija, otras no cuentas con la retroalimentación en el circuito integrado. Analizaremos dos de estos amplificadores operacionales representativos: el LH0021 y el LM380 fabricados por National Semiconductor.
Amplificador operacional de potencia LH0021
Está diseñado para funcionar con una fuente de alimentación de +/- 25V, que es capaz de proporcionar una excursión de voltaje de salida pico de aproximadamente 12V a una carga de 10Ω en todo el rango de frecuencia, hasta 15 KHz.
El circuito puede dividirse en tres etapas:
Formada por los transistores Q1 a Q4
polarizados por Q7, que consumen corrientes de base de Q3 y Q4. Los transistores Q5 y Q6 constituyen una carga activa de espejo de corriente
Es una configuración de emisor
común y formado por Q9y Q10
conectado como par Darlington. El
transistor Q8 sirve como una fuente
activa de corriente para esta etapa
.El capacitor C1 es el capacitor de
compensación para separar los
polos, conectado en una
retroalimentación en paralelo -
paralelo
Es un circuito de clase AB complementario en contrafase. Está formada por los transistores Q13, Q14, Q15, Q16,
Q17 y Q18.Los diodos D3 y D4 proporcionan el voltaje de polarización.
Etapa de entrada diferencial Etapa de Ganancia Etapa de salida
Los transistores Q13, Q14 actúan como elevador de corriente. Los resistores RC1 y RC2 limitan las corrientes a través de Q13 y Q14
respectivamente activando Q15, Q16.
Amplificador Operacional de potencia LM380
Está diseñado para funcionar con una sola fuente de alimentación, en un rango de 12-22V. La potencia de salida pude ser tan alto como 5W con una carga de 10Ω.la distorsión de salida es menor al 3%. El circuito puede dividirse en tres etapas:
Etapa de entrada diferencial
Formada por los transistores pnp Q3 a Q6, el
transistor Q3 está polarizado por Q10, el transistor Q4 esta polarizado a través de R2 por una corriente de cd que proviene de la terminal de salida
Q5 y Q6 sirven para la carga
activa de espejo de
corriente para esta etapa.
Q1 y Q2 actúan como
seguidores de emisor. R1 y
R2 proporcionan
trayectorias de cd parar las
corrientes de base Q3 y Q4
Etapa de Ganancia
Formado por Q12 tiene una
configuración de emisor-común.
Q11 sirve como carga activa de
fuente de corriente para la etapa
de ganancia.
El capacitor Ces el capacitor de
compensación para separar los
polos y su función es dar un
ancho de banda amplio.
Etapa de salida
Es un circuito de clase AB complementario en contrafase. Está formada por los transistores Q8, Q9, Q´9.
Los diodos D1 y D2 proporcionan el voltaje de polarización para la operación de clase AB.
Los resistores de emisor R6 y
R7 dan estabilidad a la
polarización, R2 proporciona
la retroalimentación de cd del
voltaje de salida de cd Vo al
emisor de Q4.
Consideraciones Térmicas
Los transistores de potencia disipan grandes
cantidades de potencia. La disipación de
potencia en calor que provoca el aumento de
temperatura de la unión de colector.
RESISTENCIA TÉRMICA
DISIPADOR DE CALOR Y FLUJO DE CALOR
DISIPACIÓN DE POTENCIA EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA
Es una medida de
transferencia de calor.
Sus unidades son C/W
Con el fin de mantener
la temperatura de la
unión por debajo de
Tj(max), el transistor se
monta sobre un
disipador de calor que
facilita la eliminación de
calor del dispositivo
La temperatura ambiente en
el TA y la temperatura en el
encapsulado TC se relacionan
con la disipación de Potencia
PD
1. Conducción desde la unión hasta el
encapsulado a través de una resistencia
térmica y del encapsulamiento al disipador
de calor
2. Convención desde el en ambiente a
través de una resistencia térmica y del
disipador de calor al ambiente a través de
una resistencia
3. Radiación de transferencia de
calor dependerá de la capacidad de
emisión de la superficie y del área
El calor se transfiere del dispositivo al aire mediante uno de tres métodos
Diseño de Amplificadores de
Potencia
El diseño de un amplificador de potencia
consiste principalmente en el diseño de la
etapa de salida que involucra
1.Identificar las
especificaciones de la
etapa de salida de
resistencia de carga
RL y los voltajes de
alimentación
2. Seleccionar el
tipo de operación
de salida: por lo
general, operación
clase B o clase AB.
3. Determinar los
valores nominales de
voltaje y de corriente
de todos los
transistores.
4. Determinar los
valores nominales. Y la
potencia de todos los
resistores
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 cumplen
con los
requerimientos de
voltaje, corriente y
potencia. Determinar
su temperatura
máxima de unión
7.Determinar la
disipación de potencia
de los transistores y la
resistencia térmica
deseada del disipador
de calor.
8.Utilizar
PSpice/SPICE para
simular y verificar el
diseño, utilizando los
valores estándar de
los componentes
junto con sus
tolerancias
CONCLUSIONES:
En este capítulo pudimos entender las principales características de los
amplificadores de potencia.
Los amplificadores operacionales de potencia son compensados mediante la
respuesta en frecuencia de la capacitancia interna.
Los Requerimientos de los Amplificadores de Potencia son distintos los
requerimientos de los amplificadores de baja señal de potencia.
Nos dimos cuenta que las disipaciones máximas de potencia viene especificada
por el fabricante que por lo general es 25° C.
La eficiencia de un Amplificador clase A es de 25% comparada con la de un
amplificador clase B que es de 50%
BIBLIOGRAFÍA:
Muhammad H.Rashid / Circuitos Micro Electrónicos/ Quinta Edición /
Editorial Thompson/ Capitulo 14 / Paginas: 723-764
