Unidad temática 2: AMPLIFICADORES DE AUDIOFRECUENCIAS DE GRAN SEÑAL

Transcripción

1 Undad temátca : AMPLIFICADOES DE AUDIOFECUENCIAS DE GAN SEÑAL Profeor: Ing. Aníbal Laqudara. J..P.: Ing. Idoro Pablo Perez. Ay. Dplomado: Ing. Carlo Díaz. Ay. Dplomado: Ing. Alejandro Gordana Ay. Alumno: Sr. Ncolá Ibáñez. UL: ttp://

2 AMPLIFICADOES DE AUDIO DE GAN SEÑAL. AMPLIFICADOES CLASE A CON ACOPLAMIENO DIECO Se denomna amplfcadore de gran eñal a aquello en lo que la eñal a amplfcar e del orden de lo alore de la polarzacón. Puede decre que la excurón de eñal a la alda, a dede el eje de corrente ata el eje de tenón (Fg. ), eto e dealzando al trantor (V CEat 0, I CBO 0). c c 00 Fg.-a / Fg.-b ce Conderando que el trantor e deal (V CEat 0 e I CBO 0) y que etá polarzado para máxma excurón de alda ( V CE n eñal erá /), defnmo: corrente de eñal: c (t) Imáx en(ωt) en(ωt) (en condcone deale) corrente de polarzacón: corrente total: I C C c (t) + I C + en(ωt) Notar que: aora ay eñale de c.c. y de c.a. uperpueta y del mmo orden.. Potenca de almentacón P CC : La potenca ntantánea que entrega la fuente de almentacón etá dada por: p cc (t) c (t) [ en(ωt)+] Por lo que la potenca meda e: P cc C dt ( ) c + I C dt I C enωt dt C 0 0 I V cc dt El prmer térmno de la ecuacón, repreenta el alor medo de una eñal enodal, que reulta nulo: Luego: c I C en ω t dt ttp:// Págna de 34

3 Pcc Podemo conclur entonce, que la potenca que entrega la fuente de almentacón e la mma con o n eñal, ya que Pcc e ndependente de c (t). Oberando la Fg. -b, con el trantor polarzado en el centro de la recta de carga, ecrbmo: Vce Pcc c c c c [ ] Eta e la expreón de la potenca entregada por la fuente de almentacón.. Potenca en la carga S llamamo p (t) a la potenca ntantánea en la carga c: [ + c ( t) ] c [ + c ( t) c ( t) ] p ( t) c + Por lo que el alor medo de potenca en la carga e: P P [ c ( t) + ] [ c ( t) ] c dt + c dt [ en ( ω t) ] c dt + c dt + [ en ( ω t) ] en c dt ( ω t) c dt + c dt + en ( ω t) 0 0 ( t) c dt c 0 0 c dt En el tercer térmno, nueamente aparece el alor medo de una eñal enodal, por ende gual a cero. A u ez, el prmer térmno repreenta el alor de corrente efcaz (al cuadrado). Entonce: c dt P cef cef c + Im áx c c 8 c Puede nferre, que en eto amplfcadore la potenca obre la carga etá repreentada por do térmno: uno útl (el alor efcaz de la corrente de eñal), y otro que repreenta la potenca de contnua debdo a la corrente de polarzacón: Sendo: P Pca + Pcc P P ca ca : Potenca de eñal enla carg a cef c I C c c c V 4 CC C C 8 c 5% P CC 06 ttp:// Págna 3 de 34

4 P P cc cc : Potencadecontnua enla c arg a I P P C ca c + P V 4 cc cc c V C cc c 4 V 4 c CC C 50% P + 4 c CC c P cc 75% Pcc 3 P Pca + Pcc 4 P cc 75% Pcc Eta e la expreón de la potenca meda total en la carga (con eñal amplfcada o eñal útl)..3 Potenca dpada por el trantor P D : D cc cc ( P P ) P P P P + Puede oberare que cuando no ay exctacón, la potenca dpada e máxma, pueto que la potenca de eñal en la carga e nula; e decr, como: Pcc cte. y Pca 0 > P P D Conderando que: ca cc P ca 5 % P con eñal : n eñal : cc ; P P P D D cc 50 % P cc 5% Pcc 50% Pcc E decr, que la peor condcón de dpacón del trantor e n eñal. El trantor e enfría con eñal. El eco de que dpe mayor potenca en auenca de eñal, marca un comportamento dtnto de ete tpo de crcuto..4 endmento de conerón del trantor: η ct Pcc Pca % % ηct 50% P Dmáx Pcc Notar que: ete e el rendmento mínmo de conerón del trantor, ya que e calcula con la P D máx, e decr, n eñal. Cuando ay eñal aplcada, la potenca dpada por el trantor e menor, por lo tanto, u rendmento reulta mayor..5 endmento de conerón del crcuto: η cc Pcc Pca % % ηcc 5% Pcc Pcc 06 ttp:// Págna 4 de 34

5 . AMPLIFICADO CLASE A CON ACOPLAMIENO A ANSFOMADO. La Fgura Nº repreenta un amplfcador clae A, acoplado por tranformador: r a N/N c g Cg Vg E CE Fg. Nº Empezamo el anál conderando un cao deal (trantor n dperón, y n zona de aturacón n corte, Fg. 3). r c c /cc e a: VCE Q /ca ce Fg. 3 a Fg. 3 b Conderando que la retenca ómca del bobnado del tranformador e práctcamente nula (cc0), por lo que puede conderare que en el colector del trantor la c cc 0 Ω > la pendente de la recta de carga etátca e de aproxmadamente 90º. Al no aber dperón ( FE con un alor fjo), el punto de polarzacón no a a cambar (erá Q para cualquer trantor). Ete punto de polarzacón Q ería: V CE cte. cte. Ademá, al no aber zona de aturacón n de corte, la excurón con eñal podría er de eje a eje, por lo que: Vca a 06 ttp:// Págna 5 de 34

6 Para ete cao deal, podemo ecrbr: Pcc Vca a c Pca Vef Ief c Pcc P V Pcc comoc Pcc P ( 0 ) D CE D Se defnen do rendmento de conerón: uno para el crcuto y otro para el trantor:. c : rendmento de conerón del crcuto η c Pcc Pca 50% ηc Pcc Pcc 50% Ete rendmento del crcuto del 50%, e conderado el máxmo rendmento teórco, pueto que urge de conderar condcone deale.. ct : rendmento de conerón del trantor, dado por: η Hacendo una comparacón con el amplfcador clae A con acoplamento drecto (n tranformador), para el cual el máxmo rendmento teórco de conerón del crcuto e del 5%, emo que en ete cao, el eco de eparar la carga elmnando el paaje de la corrente de polarzacón a traé de la mma, determna un gnfcato aumento en el rendmento, encllamente porque en la carga ólo exte potenca de eñal. De todo modo, debemo recordar que ete rendmento del 50% del crcuto e un alor máxmo teórco, pue urge de conderar condcone deale..3 Conderacón de condcone reale. C Pcc Pca 50% ηc P máx Pcc D 50% Debdo a la dperón de parámetro que e erfca entre trantore de una mma famla, (por ejemplo en el FE ) y, atento a que en el cálculo de una polarzacón normalmente e utlza el FE típco, cuando e mplementa el crcuto, e poble erfcar una aracón de I C por la dperón ante menconada (como el FE del trantor erá dtnto del típco, pudendo arar entre un FE mín y un FE máx > para la mma I B e tendrá una que arará entre una mín y una máx ). Para acotar eta aracón de por dperón del FE, erá necearo ntercalar una retenca E en emor, eto e ace con el fn de ntroducr un camno de realmentacón negata que, en conjunto con la retenca de eenng de la malla de entrada ( H ), permtrá acotar dca aracón a un I C determnado. De ete modo, mantenendo el punto de polarzacón dentro de certo rango, e aegura que la excurón con eñal no tenga dtorón n por corte n por aturacón, para cualquer trantor de la famla. 06 ttp:// Págna 6 de 34

7 Pero la mejora del punto de polarzacón trae aparejada una pérdda de eñal; por ete moto, a la e e la cortocrcuta con un Ce. De ete modo, como Ce e un crcuto aberto para la polarzacón > e ólo dpará potenca de contnua. Ammo, tenendo preente que exte una tenón de aturacón V CEat y una corrente de corte I Ccorte no nula, la excurón de eñal debe lmtare, no puede er de eje a eje. En eta condcone, no e podrá alcanzar el máxmo rendmento de conerón del crcuto, ya que de nnguna manera la tenón pco de eñal V ca puede er gual a V CC, n la corrente pco de eñal I CA I C. VCEat c Fg. Nº 4 orte ce VCE eumendo, en condcone reale tenemo: - dperón del FE - colocacón de e - Vat 0 e corte 0 Vca pco e a pco - La excurón no puede er de eje a eje y parte de la Pcc e perderá en e > ηcc < 50%..4 Polarzacón del trantor con gran eñal. Conderacone de deño. A traé de lo expreado ata aora, e podría encontrar un camno, para reoler el problema cuando e necearo ntroducr E y tener en conderacón la V ceat y la corte. Para ello debemo admtr que, en eta condcone, e mpoble obtener un rendmento del crcuto del 50%, e decr: c < 50%. De modo que, conocda la potenca de alda P, y la fuente de almentacón, y adoptando un rendmento de conerón del crcuto η c, urge el alor de I C. Con repecto al trantor, puede lograre que u rendmento ea cercano al 50%. Graca al efecto del nductor (bobnado prmaro), e modfca la que e e en la malla de alda; y, con la relacón de tranformacón prmaro-ecundaro e puede arar el alor de la c (c reflejada en el prmaro), y modfcar la pendente de la recta de carga dnámca ( Fgura Nº 7). Con lo que e puede lograr: Vca pco e a pco En condcone reale, y recordando que la retenca del prmaro e 0, el crcuto equalente a la alda para la contnua e: 06 ttp:// Págna 7 de 34

8 Vce e Fg. Nº 5 En la malla de alda podemo plantear: la recta de carga etátca e: e + V e V CE e CE que corta al eje de corrente en: e V CE 0 y corta al eje de tenón en: V CE 0 I C y u pendente e: m -/e -/cc Para la eñal, Ce cortocrcuta a e > ólo queda c (c reflejada en el prmaro del tranformador). Pero, al arar la corrente de colector, la nductanca del prmaro e opondrá al cambo e nducrá una tenón V IND para compenar (para tratar de mantener la corrente que le crcula). De modo que en el colector del trantor aparecerá una tenón: CC + V IND Por lo tanto, el crcuto equalente para eñal en la malla de alda e: c V cc 'c Vce Ve V E ca V V c llamamo: ce ce V ce E E V cc ce ce ce E + + V V en ca ca ca ( ω t) en en V E ( ω t) ( ωt) + V ca Notar que a medda que el punto de funconamento del trantor e muea obre la recta dnámca, aca el extremo de corrente ca nula (corrente dmnuyendo), en el bobnado prmaro del tranformador e nducrá una tenón cuya polardad tratará de mantener la corrente de colector, 06 ttp:// Págna 8 de 34

9 tratará de etar que dmnuya. Eto ará que la tenón ce aya aumentando ata llegar al alor máxmo V cc V E + Vca. Por lo tanto, ete punto (c 0; ce V cc) e un extremo de la recta de carga dnámca (eje de abca). El otro extremo (eje de ordenada), etá dado por: ca ca V c c E y ce 0 Notar que: medmo la tenón de emor repecto de terra con un oltímetro de cc, erá 0 c /e m -/e V c E máx mín Q ( FE máx ) Q ( FE mín ) m -/ c a pco corte Vca pco Ve Vca pco Vce Vce at Fgura Nº 7: Polarzacón con gran eñal Debemo polarzar el trantor, admtendo que extrá una aracón de la corrente de polarzacón I C (por la dperón del FE ). Ammo, como el nel de la eñal e del orden de la polarzacón, e deberá aegurar que no exta dtorón n por aturacón n por corte. 06 ttp:// Págna 9 de 34

10 S e trabaja con un trantor que tene FE FE mín, la corrente del punto de polarzacón erá el del punto (Q ) de la Fg. 7, en el que: I C mín,. Luego, para no excuronar ata el corte, y deprecando la corrente de corte: a ( I C I C corte ) mín pco mn Por lo que, para no tener dtorón por corte, a lo umo e podrá tener: V ca I ca c' mín c' A u ez, no toca un trantor que tene FE FE máx, y I Cmax, el punto de polarzacón erá el Q, en Fg.7. Debemo garantzar que con: no lleguemo a la aturacón; a lo umo: C I ca + VE + CEat + V ca máx e+ CEat + I ca c' En eta ecuacón e garantza que no e upera la máxma corrente de colector, no abrá dtorón por aturacón. Y e ntroduce, a u ez, la máxma excurón de eñal en tenón que erfca que no extrá recorte por corte (Vca pco a pco c ). Pero tenemo do ncógnta: máx y e, por lo que reulta necearo adoptar alguna de ella. enemo do pobldade: Se puede adoptar un rango de aracón de la corrente de polarzacón: conocendo I C mín y adoptando un I C máx ( guendo algún crtero adecuado), queda defnda la máx y e puede calcular la e: máx - mín Otra pobldad e adoptar una caída de tenón V E, por ejemplo como un porcentaje de la V cc. Con eto e obtene una e y, a partr de ella, e calcula la máx. Con eto tendríamo lo dato del tranformador y el alor de e. Falta calcular la red de polarzacón de entrada: a y b. Para ello, en la malla de entrada: t + Ib - Vt + - Vbe + - e 06 ttp:// Págna 0 de 34

11 Vt I B Vt para FE t + V FE FE t + V FE FE BE + I BE E + I e C e Vt t+ V FE Vt t + V FE BE BE + e + e [ ] [ ] Obtumo ecuacone con ncógnta. Igualando [] y []: FE t t + V FE t e BE FE + e e ( ) ( ) ( ) FE FE FE t + V e FE BE + FE e Notar que: el térmno ( máx mín ) del numerador de t, repreenta la aracón de por dperón del FE. Por lo que dca dperón fuee nula, la ería contante. Ademá, t debe er menor o gual que el alor calculado, de otro modo, ería > máx y, en tal cao, tendríamo dtorón por aturacón. Con el alor de t, reemplazamo en [] ó en [] y obtenemo Vt. A u ez: a b t a // b a + b a t Vt a + b b [ 3] [ 4] Fnalmente, de ete nueo tema de do ecuacone con do ncógnta (a y b), obtenemo la red de polarzacón de entrada. 06 ttp:// Págna de 34

12 3. AMPLIFICADO DE POENCIA CON PA COMPLEMENAIO Cao C A 3 Vp e e L Para el anál de eta confguracón determnaremo, como prmer pao, el pco de tenón que garantce la potenca requerda; ademá a partr del eco de que la etapa de alda etá conectada como egudor por emor (colector común) y, por ende, la gananca de tenón e gual a la undad, e nfere entonce que el pco de eñal en la carga, e gual en ampltud y fae al de la entrada (bae de -, colector de 3 ). Vg B E - V I V I V P V L P () c La gananca de tenón del amplfcador, la proee la etapa exctadora (que contene como elemento acto al 3 ), cuyo equema e muetra en la guente fgura, conderando que: 3 c V Vca E C L Vca ' L FE L (retenca reflejada). C (retenca de polarzacón). E (retenca para etablzacón de polarzacón y gananca). ca 06 ttp:// Págna de 34

13 Puede demotrare que la gananca de tenón e: Defnmo: C A ca E () /ca ca C // ' L cc C + E máx mín /cc CE Vca Cuando la etapa de potenca etá compueta por un par D Arlngton, como en ete cao, la ' L puede er mayor que la c, o del mmo orden. La corrente de eñal ( ), reultará menor que la c que crculará obre c, lo que repreenta una pérdda de eñal, algo no deeable, pueto que no e erfca en la alda repreentada por ' L. Lo conenente erá que C >> ' L, pero eto e contraproducente dede el punto de ta de la dpacón de lo trantore de alda, pueto que para polarzar la etapa exctadora, puede er necearo contar con una tenón de almentacón exceamente grande. Oberando el guente crcuto: c Vbe, E V 0 - Sn eñal e cumple: VCC ICO3 C + VBE (3) Luego aumentar C automátcamente ncrementa V CC. Por todo lo expreado, una manera de reoler el problema e a traé de un método terato, e decr, r probando con dtnta relacone de C y ' L y quedarno con aquella que creamo má adecuada. 06 ttp:// Págna 3 de 34

14 Una ez elegda la c, queda defnda la ca: ca c // L Para que no aya dtorón por corte, lo trantore deben trabajar empre en zona acta. y tenen la Vp para etar eto debemo acer que 3 no e corte, por lo que debe er: Vca o3 > îca ca Y, tenendo preente la polarzacón con gran eñal, ecrbmo que la mínma o3 erá: Vca o3 î ca ca Lo correcto erá polarzar en un punto con o3 > o3 Por otro lado, para que lo trantore no aturen, deben er:, Vce, V > Vce 3 Vce3 > Vca+ Vceat3 El pao guente erá determnar un alor adecuado para E. Ete componente cumple do funcone mportante, como ya e a expreado. Una de ella e la de proeer una gananca de tenón etable, frente a aracone de fe. Luego, un crtero para adoptar un alor ería el fjar un alor de gananca de tenón que aegure un nel de eñal de exctacón acorde para una etapa preamplfcadora. at Surge como concluón que la retenca c debe etar netablemente en el crcuto, pueto que e la que da la polarzacón de la etapa exctadora. Pero, a u ez, acarrea como perjuco la pérdda de eñal que e produce en ella. Ademá, el alor de reulta eleado frente a la Vca pco neceara para lograr la potenca requerda en la carga, lo trantore y oportarán una V CE muy grande y, por conguente, una pérdda de potenca por dpacón muy mportante. Una poble olucón para ete problema ería mplementar un dpoto que permta uplantar la retenca c, polarzando al trantor 3, pero que al mmo tempo e comporte como un crcuto aberto para la eñal ( c ). al dpoto e debe comportar como un generador de corrente contante, que entregue la neceara para polarzar 3 y que, debdo a u altíma mpedanca dnámca, no produzca pérdda de eñal. Eta opcón reulta er una manera efcente de reoler ete nconenente que no preenta la etapa exctadora. 06 ttp:// Págna 4 de 34

15 4. AMPLIFICADO DE POENCIA CON PA COMPLEMENAIO Cao El guente crcuto repreenta una etapa de alda par complementaro, en la que la retenca de polarzacón de colector de 3 a do reemplazada por un generador de corrente: + 5 D D Q4 4 Q D3 0.47O D O 4O V g Q3 6 Q - En la reolucón de ete crcuto, al gual que en lo cao anterore, e debe garantzar la potenca de alda requerda y que no exta dtorón por corte o por aturacón. Para ello, e necearo que:. el amplfcador de tenón 3 no e corte o3 a pco. el generador de corrente 4 no e ature V CE4 (Vca pco + V CE at ) 3. el amplfcador de tenón 3 no e ature V CE3 (Vca pco + V CE at ) 4. lo trantore de alda, no aturen V CE, + pco 06 ttp:// Págna 5 de 34

16 4. Potenca requerda La potenca requerda etá dada por: P î V L L î B î V FE P L La retenca de carga dnámca del trantor 3, etará compueta por la del generador de corrente, en paralelo con la retenca reflejada de la carga L. De modo que el crcuto equalente para eñal e: Q3 C Por el momento, podemo admtr que la retenca dnámca del generador e muy grande (e erá en el Problema 5), y que: S c 8 3 e como carga ólo la L > 4000 Ω L L FE 6 L Ademá, e upone que: î c3 î b, > o3 î b, 4. Generador de corrente y determnacón de I E 4 V 5 o3 5 V 5 5 I E 4 V D I V CO3 BE Vd V EB 5 I E4 V5 Por otro lado: V 4 I D D 4 4 V CE4 I CO3 En eta ecuacón tenemo do ncógnta: e I D. Para determnar debemo tener preente que e necearo que 4 no e ature. V B L 06 ttp:// Págna 6 de 34

17 Sn eñal, e pueden deprecar la caída de tenón en la de 0,47O y en la L, por lo que el emor de queda a terra. En tal cao: V B V BE > V B + V CE4 + V 5 ambén: V CE4 ca pco + V CE4 at Para la determnacón de 4 falta conocer I D, e necearo adoptar algún crtero. Por ejemplo, tenendo en cuenta la dpacón de la retenca. S 4 e de ¼ W, y u caída e: V 4 V D La corrente máxma que podría crcular por 4 ería: I Dmáx 0,5 W / V 4 Debemo elegr I D < I Dmáx. De ete modo: V 4 I D D Adoptando ete alor de 4, aeguramo una corrente que polarza a lo dodo por encma del codo, y que la potenca que dpe eta retenca etará por debajo de lo 50 mw que admte como máxmo. 4.3 Anál etátco de la etapa de 3 V 5 V CE4 V D V CE3 V V CE3 (V 5 + V CE4 + V D + V 6 ) V 5 Sendo: V CE4 V B V 5 V CE4 y a V 6 la podemo calcular adoptando un alor para 6. V D Para que no ature, debe er: V CE3 `ca + V ce at V CE3 Fnalmente, la gananca de tenón erá: A 3 ca E Vca Vg PICO V Saturacón de, Para que no e produzca dtorón por aturacón, tambén debe contemplare que: V CE, V ca pco > Vce at, 06 ttp:// Págna 7 de 34

18 4.5 Comparacón con el crcuto de polarzacón con retenca de colector Al realzar cálculo en lo problema 3 y 4 de la práctca, eremo que al reemplazar la c del amplfcador de tenón por un generador de corrente, logramo mejorar el rendmento del crcuto, ya que para la mma potenca de alda uamo una menor. Con la utlzacón del generador de corrente, no ólo e etablza el punto de polarzacón de 3 frente a aracone de FE,, no que la fuente de almentacón e reduce, y eto tambén reduce la V CE,. Pero cabe detacar que ata aora, emo upueto que el crcuto e comporta de modo métrco en u etapa de alda, de modo que todo el tempo upumo que el punto medo, en el que etá acoplada la carga, etá a 0 V. Eto e deeable para que al parlante no aya nnguna componente de contnua, pue producría una nneceara dpacón de energía y la poble aturacón de, o de, en lo pco de eñal. Pero, ya que empre ay ametría (por lo que el potencal de dco punto aría), debemo adoptar alguna olucón para corregr ete problema. Por otra parte, la aracón de FE arará la retenca reflejada y la gananca de tenón: L ca FE L Aca / E FE L / E S el FE de lo trantore de alda aumentara, aumentarían tambén la retenca dnámca y la gananca. En eta condcone, no e modfcara la exctacón, la conecuenca ería que la alda tendría dtorón. En tal cao, la olucón erá mplementar un crcuto con gananca contante. E decr, que reulta necearo recurrr a la realmentacón negata para compenar la aracone del FE y del punto de polarzacón etátco del crcuto. Una poble alternata ería la motrada en el equema guente, en el que la gananca de tenón e ndependente de FE y etá dada por: + Ve + _ A + cte. V - 06 ttp:// Págna 8 de 34

19 5. AMPLIFICADO DE AUDIOFECUENCIA CON PA COMPLEMENAIO Cao 3 (Se recomenda la lectura de la Nota de Aplcacón AN-483B de Motorola: Amplfcadore de audo con trantore D Arlngton complementaro de alda ) +VCC 470nF A57 47pF 7 6 IP0 K 0,39 om 0uF A A37 A37 B 0K P K 8 K 4 A37 F Ve 0K Z 0V 3 4,7K 4,5K K C 47uF 9 5K D D 5 A ,39 om 7 IP6 carga 4 om 470nF -VCC 5. Dagrama en bloque En ete amplfcador emo que la confguracón de alda e par complementaro (con trantore D Arlngton), la alda típca de una etapa de audo. Y la carga e c 4 Ω, que puede er, por ejemplo, un parlante. Ete e, entonce, el crcuto de un amplfcador de potenca para el rango de la audofrecuenca (gran eñal). 06 ttp:// Págna 9 de 34

20 Para un mejor anál, e podría equematzar por medo del dagrama en bloque que e muetra en la Fgura Nº 8: Ve Amplfcador dferencal y etapa emor común (, y 3) 5: Polarzacón del amplfc 3 4: Pre-pol. de trantore de alda y Etapa de alda: par complementa ro clae AB (6 y 7) c b Fgura Nº 8 Dado que la etapa de alda etá en confguracón egudor por emor, e un amplfcador de corrente, y tene una gananca de tenón untara (A ) > e necearo que la etapa anteror amplfque tenón el par dferencal ( y ), junto con 3 (amplfcador clae A) on lo que proeen la gananca de tenón del crcuto (A). A u ez, 4 funcona como generador de tenón contante para la pre-polarzacón de lo trantore de alda 6 y 7. 5 conforma un generador de corrente para polarzar a 3 ( 3 contante). Cada una de eta do etapa puede er reemplazada por u retenca dnámca, la que actuarán como retenca de colector de 3 junto con la retenca de carga reflejada a la entrada de la etapa de alda. En la etapa de alda, el punto F etá práctcamente a terra, ya que c 4 O; y eto e prefere aí porque: E conenente que la c que crcule por c ea ca nula, ya que la carga e un parlante y la contnua moleta y e potenca que e perde. Etando el punto F a terra, permte una excurón métrca entre la do fuente (±). Que el punto F eté a terra ace que, para la contnua, la bae de tenga 0 ko a terra, gual que la bae de, ya que para la polarzacón el capactor C e un crcuto aberto > la ko no actúa. E decr, que la entrada e métrca para la contnua. La tecnología actual permte reemplazar la etapa dferencal de entrada y la de polarzacón, por un amplfcador operaconal, y quedaría un equema equalente como el guente (Fg. 9): 06 ttp:// Págna 0 de 34

21 0K + K 6 A Ve 7 - c Fgura Nº 9 En la Fgura Nº 0 emo el crcuto del bloque : amplfcador dferencal de entrada y el amplfcador de tenón 3, con u retenca dnámca de carga d A57 A37 A37 β 0K d - V 3 a V 5 Ve 0K K carga 4 om V 3 4,7K - Fgura Nº 0 7 La Fgura Nº muetra el generador de tenón (formado por 4 ), cuya funcón e la de pre-polarzar a lo trantore de alda. En eta fgura e ncluye el ímbolo del generador de corrente (crcuto de 5 ), que polarza al amplfcador de tenón ( 3 ). P K 8 K K 4 A37 Vcd Fgura Nº I 06 ttp:// Págna de 34

22 5. Determnacón del tpo y la topología de realmentacón. Ete crcuto etá realmentado en contnua y en alterna. En la bae de, la, ko y la 0 ko on la red de realmentacón para la alterna, pue C pone a terra. Para la contnua, C etá aberto > ólo queda la 0 ko entre la bae de y terra (a traé de la c 4 O, que e deprecable frente a 0k) para contnua, la realmentacón e del 00% (β ). Anál del tpo de realmentacón: Debemo analzar el crcuto ncrementalmente. Para la determnacón del tpo de realmentacón producremo una perturbacón y oberaremo cómo reponde el crcuto; de tal forma que e opone a la perturbacón, la realmentacón erá negata. Supondremo un ecalón de tenón poto en una de la entrada, la bae de. Eto producrá un aumento de la corrente de colector de (c ). Ammo, eto e condce con una dmnucón del potencal de colector de repecto a terra ( nerte). Ete ecalón negato en el colector de, e ntroduce en la bae de 3 y generará una ecalón poto en el colector de 3 ( 3 nerte nueamente). Ete ecalón poto a a la bae de 6 ; pero 6 y 7 on egudore por emor > no nerten en el punto F tendremo un ecalón poto. A u ez, en F etá la bae de ; eta bae ube, ube baja, pue + cte. De ete modo e corrge el efecto que produjo la ubda de la entrada > puede decre que la realmentacón e negata. opología: El dagrama en bloque del amplfcador completo puede repreentare: Ie a c V Vg Β Fgura Nº Muetreo de tenón (nodo común, conexón a la alda) Comparacón de tenón ( malla común, conexón ere en la entrada) Varable ndependente de entrada Varable ndependente de alda corrente tenón 06 ttp:// Págna de 34

23 e utlzarán parámetro íbrdo para el anál: e e + e + y upondremo que lo bloque on undrecconale, e decr, que el bloque a ólo conduce dede la entrada aca la alda, y el bloque β ólo conduce dede la alda aca la entrada. De modo que conderamo: a β 0 Para el bloque β: β e e 0 + e β β + e 0 β e + El crcuto ncremental realmentado para determnar la gananca a lazo aberto del bloque a cargado, queda: b Vg a oa oβ o V β fe e fe b Fgura Nº 3 β a b g oa e β e fe b + oβ g + β e fe o + b β o fe e g + β a g fe o La gananca realmentada erá: A g a + a β ecordar que: S: a β >> > A /β la gananca de todo el amplfcador ólo dependerá del alor de retenca, erá ndependente del reto. 06 ttp:// Págna 3 de 34

24 5.3 Determnacón de la gananca de tenón Para determnar la gananca realmentada de tenón A, debemo comenzar por calcular la gananca a a lazo aberto y, por lo tanto, la gananca de lazo aberto de cada etapa. Interea conocer la gananca a lazo aberto total del crcuto (a ), para er e cumple que: Conderando: β a >> a a a a 3 - a : gananca de lazo aberto de la etapa del par dferencal - a : gananca de lazo aberto de la etapa amplfcadora 3 - a 3 : gananca de lazo aberto de la etapa de alda - Para el par dferencal erá: necetamo conocer, para calcular gm y a. El crcuto para la polarzacón e: a g g m m V 5 A37 A37 0K 0K IE 3 4,7K -Vz VF-0V 4,5K II 4-5V - Fgura Nº 4 Para el cálculo de la corrente de polarzacón de ó de, acemo la guente upocone: a) que el zener etá polarzado correctamente (Iz ma) b) que lo FE de y de on grande > la I B on deprecable > la bae etán a terra a traé de la retenca de 0 ko (deprecando la c 4 O) c) que lo trantore del par dferencal on apareado > u on guale 06 ttp:// Págna 4 de 34

25 - gananca de lazo aberto de la etapa amplfcadora 3 La gananca de la etapa 3 erá la que urja de reoler el guente crcuto: 3 E a colector3 emor3 r 4 r 5 Fgura Nº 5 rd r 4 + r 5 rd: retenca dnámca del colector de 3 r 4 : retenca dnámca del crcuto de 4 r 5 : retenca dnámca del crcuto de 5 al ez e pueda er má claramente en el guente crcuto equalente para eñal: Ve 3 r d V 6 a fe e b + e fe d fe e fe + fe ; 6 6 b d d e e + 6 d fe 6 Fgura Nº 6 Oberando la expreón de la gananca de la etapa 3, erá necearo conocer la retenca dnámca r d que e la que e 3 dede u colector ata terra. E la que correponde a la etapa de 4 (crcuto de pre-polarzacón) y de 5 (generador de corrente contante). etenca dnámca del generador de corrente contante: Deeamo calcular la retenca dnámca de alda de eta etapa, e decr, la que e e dede el colector de 5 ata terra. Analzaremo un crcuto ncremental, en el que la batería e un cortocrcuto y lo dodo podrían reemplazare por u retenca nterna, pero reulta rd<<e 5, de modo que podemo conderar que la bae de 5 etá a terra (ncrementalmente). El crcuto equalente queda: 06 ttp:// Págna 5 de 34

26 V b fe b e o gm V 0 V0 Fgura Nº 7 I V r 0 ( fe b) + ( e// e) + o ( e// e) ( e // e ) b e + o o fe b o e e + e fe e o e+ e ( e// e) r + o r + o r ( e// e) fe e + o e + e fe o e ( e// e) + ( e// e) o + e gm o o o ( + e gm) E necearo conocer la I C para calcular gm, por lo tanto reolemo el guente crcuto: e gm e e 9 5K VBE 5 A37 D D 0 0 VE - Fgura Nº 8 Eta r 5 etá en paralelo con la de 7 (que e un D Arlngton), e decr con la c reflejada aca el bae de 7 etenca dnámca del crcuto de pre-polarzacón de lo trantore de alda Como emo dco en párrafo anterore, ete crcuto re para pre-polarzar a lo trantore de alda, y tambén puede compenar la aracone por temperatura que puedan tener V BE 6 y V BE ttp:// Págna 6 de 34

27 Ip 7 K I P K 8 K VBE 4 A37 Vcd Fgura Nº 9 Para la reolucón, acemo la guente upocón; I C5 >> Ip >> I B4 y podemo ecrbr: V Ip V CD BE4 8 V CE 4 Ip BE4 ( + + P ) ( + + P ) 8 7 V La expreón anteror muetra que la tenón de polarzacón V CD que pre-polarza a lo trantore de alda, e dependente de la V BE4. De eta manera, e ajuta conenentemente el alor de V CD que logre elmnar la dtorón por cruce por cero y aegurar un comportamento lneal del crcuto (ya que lo trantore de alda trabajan ca en clae B). A ete crcuto e lo denomna multplcador de V BE. Como la aracón con la temperatura e gual para lo trantore del par de alda y de V CD (ambo dependente de la tenone de bae emor), e logra ademá una compenacón por temperatura (para eto, deberían montare 4, 6 y 7 obre el mmo dpador). Para que V CD ea contante, e necearo que 4 ea contante, tambén por ete moto e mportante el generador de corrente ( 5 ). Ademá, la temperatura aumenta, la cura I B. V BE del dodo de bae-emor del trantor 4 e corre aca la zquerda, paando a un punto de trabajo de menor V BE y mayor I B (de I B a I B ). Por el mmo efecto de la temperatura, la tenone V BE6 y V BE7 tambén tenderán a bajar, pero 4 tene corrente contante > V CE4 V CD cte. De modo que 4 corregrá la aracone por temperatura de V BE de 6 y 7. I B I B m / H V H V BE I B I B Fgura Nº 0 V BE 06 ttp:// Págna 7 de 34

28 Para calcular la retenca dnámca de la etapa de 4, analzamo el guente crcuto ncremental: I p C 4 I7 I P 7 B 4 I gm V Ie b FE I b 8 e Hfe e o V r 4 b e e r 4 fe : y e e e fe e p << e fe fe b ( // ) 8 Fgura Nº e + ( // ) ( 8 // e ) ( 8 // e ) + 7 ( 8 // e ) 7 ( // ) + 8 e 7 8 fe b e Volendo al crcuto de 3 (Fgura Nº 5), la retenca dnámca total que e el colector de 3 erá la uma de la retenca dnámca de la etapa 4 y 5, e decr: ecordando que: d r 4 + r 5 Según expreamo má arrba, la gananca del par dferencal era: a a g m 5 colector3 emor3 7, ecordando que la etapa de alda tene: a 3 > la gananca de lazo aberto de todo el crcuto e: a a a a3 β β e e 0 + De modo que con eto etaríamo en condcone de calcular la gananca de lazo aberto y, por ende, la gananca de tenón de lazo cerrado. 06 ttp:// Págna 8 de 34

29 5.4 Cálculo de la máxma potenca de alda (P máx ), de la máxma potenca dpada (P D máx ) y del pco de tenón de la eñal de entrada, para obtener la potenca de alda requerda. (Ver Electrónca Integrada, Mllman & Halka, pág. 677) La potenca umntrada a la carga e: P Vef Ief Vca a Vca L La potenca de entrada al crcuto de colector e: Vca Pcc c π L La potenca dpada en lo colectore de ambo trantore e: P D Pcc P Vca Vca π Notar que: n eñal lo trantore no dpan potenca, e enfrían Vca 0 > P D 0 L L Para er cuánto ale la Vca que ace máxma la potenca dpada por lo trantore de alda, acemo la derada: P Vca 0 Vca Vca π L L D Ete e el alor pco de eñal que ace máxma la potenca dpada en lo trantore de alda. Y dca potenca ale: 4 P Dmáx P Dmáx π π L π L π L π π L Suponendo que V CE at fuera deprecable frente a, en condcone práctcamente deale, la máxma excurón de eñal ería: Vca > la máxma potenca de alda ería: Vca P máx L L De modo que la máxma potenca dpada por ambo trantore tambén puede expreare como: 4 P D máx P máx 0, 4 π Por lo que cada trantor dparía: P máx PD máx por r 0, P máx 0, L 06 ttp:// Págna 9 de 34

30 6. ÉGIMEN ÉMICO EN ANSISOES DE POENCIA Un trantor e calenta por la potenca eléctrca que dpa. Por lo tanto, el fabrcante da un régmen máxmo de potenca para aegurar que la temperatura en toda la parte del trantor e mantenga por debajo de un alor que produzca cambo perjudcale en el dpoto. Ete régmen e da con repecto a la temperatura de carcaza para lo trantore que e montan obre dpadore, o con repecto a la temperatura ambente, para lo que trabajan n dpador. Pulo de potenca muy bree no calentan al trantor ata la temperatura que e alcanzaría ee nel de potenca contnuara ndefndamente. Lo regímene de potenca máxma tenen en cuenta ete factor y admten la dpacón de potenca mayore para pulo muy bree. El régmen de potenca de un trantor e puede ndcar fáclmente medante una cura lmtadora que muetra un régmen de funconamento eguro con potenca pco (SOA: Safe Operatng Area). La condcone de funconamento pueden er: etado contante, trantoro repetto y no repetto. 6. Funconamento en etado contante La máxma capacdad de dpacón de un trantor, en condcone de etado contante, depende: de la uma de la retenca térmca en ere dede la juntura del trantor ata el exteror, de la máxma temperatura de juntura jmáx y de la temperatura ambente amb a la cual funcona el trantor. La uma de la retenca térmca en ere e determna por la g. relacón: θ J A θ J C+θ C D+θ D A El alor de la retenca térmca juntura-carcaza lo epecfca el fabrcante. La máxma temperatura de juntura en trantore de lco aría entre 50 y 00 ºC. Para no uperarla, la potenca que puede dpar el trantor en etado contante e calcula con la guente expreón: jmáx amb PD θ J A El fabrcante, en la Hoja de Dato del trantor, no da nformacón en tabla y en gráfco. Por ejemplo, para un IP 4 ó 4, en la abla de Valore Máxmo, puede epecfcar: - otal power dpaton c 5 ºC (para funconamento con dpador) - otal power dpaton A 5 ºC (para funconamento n dpador) El gráfco de potenca dpada en funcón de la temperatura puede er como el guente: 06 ttp:// Págna 30 de 34

31 Ete gráfco brnda una nformacón má completa, pue no etá ndcando la máxma potenca dpada, funconando con o n dpador, para todo lo alore poble de temperatura de carcaza. De modo que la c e uperor a 5ºC, la potenca dpada máxma erá nferor a la dada en la tabla de Valore Máxmo, y aparece el factor de reduccón por temperatura o F, cuya expreón e la guente: c 5º C F jmáx 5º C Para temperatura nferore a 5ºC, la potenca dpada por el trantor erá la máxma epecfcada en la ordenada (P Dmáx ). En la abca e repreentan c, cuando el trantor etá montado obre un dpador, y A, conderando el trantor n dpador. Ademá, del mmo gráfco e obtene la temperatura de juntura máxma. En ete ejemplo jmáx 50ºC, que correponde a P Dmáx 0. Eto e razonable, dado que el trantor e encontrara a ea temperatura de carcaza, la potenca que podría dpar en ea condcone ería nula. De modo que la máxma potenca que puede dpar el trantor en régmen contante, para cualquer temperatura de carcaza, etá dada por: P 6. Funconamento con un olo pulo Dmáx P Dmáx c F c5º C Cuando el trantor e operado en régmen de un olo pulo de potenca, la dpacón máxma permtda durante ete período e conderablemente mayor que en etado contante. Para determnar la potenca dpada en eta condcone e debe conocer la retenca térmca trantora. S la capactanca térmca del dpador obre el que etá montado el trantor e grande, admtremo que u temperatura no aría durante la duracón del pulo, por conguente, la temperatura de carcaza c e eencalmente gual a la temperatura ambente amb. Ete modo de operacón etá epecfcado en la oja de dato de lo trantore de potenca en un gráfco. Por ejemplo, guendo con el IP 4, e tene el guente: [Notar que la pérbola de dpacón máxma (prmera y egunda ruptura) e conerten en recta al paar a ecala logarítmca lo eje del gráfco] 06 ttp:// Págna 3 de 34

32 Ete gráfco permte obtener lo alore de corrente y potenca ntantánea que admte el trantor en régmen pulado no repetto, y e comparan lo alore de corrente para lo pulo de duracón ndcada (5m, m ó 0,5 m), con el de régmen contante (trazo nferor), e podrá obtener un factor multplcador M como relacón de corrente para una tenón dada. Dco factor e obtene como el cocente de la corrente ntantánea del correpondente pulo y la corrente de etado contante, amba para una determnada tenón V CE. Por ejemplo, V CE 60 V, del gráfco anteror obtenemo: M,5 A 3 Idc 0,5 A 5m M Vce 60V Vce 60V Aora, con eto coefcente (M y F), podemo obtener la potenca dpada pco máxma para el régmen de un olo pulo y para cualquer temperatura de carcaza. Se calcula en la forma guente: Ppco M F P Dmáx Funconamento con pulo repetto Cuando un trantor funcona en el modo de pulo repetto, el anál preo debe modfcare para tener en cuenta la eleacón de temperatura de carcaza proocada por la dpacón de potenca promedo. El funconamento térmco de un trantor puede repreentare por una analogía térmca-eléctrca que ncluye un generador ndependente de potenca, retenca térmca y capacdade térmca. Notar que en una analogía como eta, lo que crcula por el crcuto equalente e potenca (como fuee corrente), y la caída on de temperatura (como fuee tenón). A lo mpulo de potenca el trantor reponde como un condenador de calor, mpdendo que la temperatura crezca ntantáneamente en cada nodo de la red. Eta capactanca térmca e localzan en la juntura, en la carcaza y en el dpador. j 0jc c 0cd d Pd Cj Cc Cd 0d amb La potenca e mde en Watt, la temperatura en ºC y la retenca térmca en ºC/W. La capactanca térmca e mden en Watt-egundo/ºC La capactanca térmca dejan de conderare cuando el trantor opera en régmen de etado contante. Cuando el trantor debe etar alado eléctrcamente del dpador, e lo epara del mmo con una lámna de lcona o de mca con graa lconada, que agregan una retenca térmca θcd de entre 0,4 y,5 ºC/W. Podemo obtener la temperatura de carcaza afectada por el funconamento en régmen de pulo repetto calculando la potenca meda que atraea la retenca térmca entre carcaza y 06 ttp:// Págna 3 de 34

33 ambente, y eta potenca erá funcón del cclo de trabajo de lo pulo térmco egún la expreón: P δ.pˆ t ; δ t Sendo: δ: cclo de trabajo t : anco de lo pulo t : período de lo pulo Lo fabrcante de trantore de potenca publcan un gráfco que permte obtener el factor multplcador M para dferente combnacone de anco de pulo t p y cclo de trabajo δ. Para contrur el gráfco e defne una arable llamada retenca térmca trantora o mpedanca térmca Zt, que depende del cclo de trabajo y del anco del pulo de potenca, y repreenta el comportamento térmco trantoro del trantor. El modelo adoptado para la retenca térmca juntura-carcaza y la capactanca térmca e conerte en el de la mpedanca térmca. j 0jc c j Zjc c Ppco Cj 0ca Ppco 0ca amb amb El gráfco repreenta la relacón r(t) entre el alor de la mpedanca térmca y la retenca térmca juntura-carcaza para dferente cclo de trabajo y anco de pulo de potenca (notar que en ete ejemplo, el cclo de trabajo e denomna D en lugar de δ). Al reducre el alor de la mpedanca repecto a la retenca térmca juntura-carcaza, el alor de la potenca pco que produce la temperatura de juntura ntantánea máxma puede eleare en /r(t) ece, o lo que e gual M ece, y ete e el factor que emplearemo para calcular la potenca pco ntantánea máxma del régmen trantoro repetto: M/r(t). Incluyendo eto concepto en la expreón de la potenca pco: P pco M.F.P dmáx 06 ttp:// Págna 33 de 34

34 c 5º C F 5º C jmáx c amb + P θ ca P P δ eemplazando ete alor en F: jmáx jmáx c 5º C c amb + P δ θ ca ˆP M.F.Pdmax M.Pdmax. jmax c jmax 5ºC jmax (amb+θca.p. ˆ δ) ˆP M.Pdmax. ; jmax 5ºC ˆP[(jmax 5ºC) + M.Pdmax. θca. δ ] M.Pdmax.(jmax amb) M.Pdmax.(jmax amb) ˆP (jmax 5ºC) + M.Pdmax. θca. δ y reemplazando: reulta: jmax 5ºC θ jc Pdmax M.(jmax amb) ˆP θ jc+ M. θca. δ eferenca bblográfca:. Deño de amplfcadore de audo con pare complementaro de lco, Motorola Inc, Edcone ado Ca.. Audo/ado Handbook, Natonal Semconductor. 3. Electrónca Integrada, Mllman y Halka. 4. Crcuto Electrónco, E. S. Angelo. 5. Crcuto de Potenca de Etado Sóldo, Manual SP 5, CA. 6. Prncpo de Electrónca, Gray y Searle. 7. Ingenería Electrónca, Alley-Atwood. 8. Amplfcadore de audo con trantore Darlngton complementaro de alda, Nota de Aplcacón AN-483B de Motorota,. uc. 06 ttp:// Págna 34 de 34