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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.
[3] Rashid, M. (2000). Circuitos Microelectrnicos, Anlisis y
Diseo. Thomson.
[4] Cirovic, M, Harter, J.(1987) Electronics Devices, Circuits
and Systemas,Englewood Clis, N.J. : Prentice-Hall
[5] Dede, E, Espi, J (1983) Diseo de Circuitos y Sistemas
Electrnicos, Marcombo
Bibliografa