Amplificadores de Audio Potencia. Clasificación de los Amplificadores de Audio Potencia Clase A Clase B Clase AB Clase D
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- Elvira Rivero Chávez
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1 Amplificadores de Audio otencia Clasificación de los Amplificadores de Audio otencia Clase A Clase B Clase AB Clase D 1
2 Amplificadores de Audio otencia Amplificador de potencia clase A a corriente que fluye por la carga es igual a 360º con respecto a la señal de entrada.
3 Amplificadores de Audio otencia Amplificador de potencia clase B a corriente que fluye por la carga es durante 180º, es decir, solo un semiciclo de la señal de entrada. 3
4 Amplificadores de Audio otencia Amplificador de potencia clase AB a corriente que fluye por la carga es mayor que y menor que. 4
5 Amplificadores de Audio otencia Amplificador de potencia clase C a corriente que fluye por la carga es menor a 180º de la señal de entrada. 5
6 Amplificadores de Audio otencia Amplificador clase D. Este amplificador tiene la particularidad de funcionar entre la región de corte y saturación. Con este proceso se puede generar más rendimiento en el transistor y una mejora en la potencia entregada a la carga. Se puede trabajar sobre la hipérbola máxima de disipación, si la velocidad de conmutación es la adecuada. 6
7 Amplificadores de Audio otencia Amplificador clase A con carga + CQ C B C i es una además i señal sinosoidal, C MAX cos t i i BB E 7
8 Amplificadores de Audio otencia Análisis en y CA del amplificador clase A. B CQ + C C ecta de carga en C CE C E ecta de carga en CA CE // C C E i i BB E 8
9 Amplificadores de Audio otencia otencia alterna disipada en la carga (). El rendimient o esta dado por otencia alterna disipada en la carga otencia continua que entrega la fuente : 100 AC ef C max rms pero ef AC AC C C max max otencia promedio debido a la corriente alterna disipada en la carga. 9
10 Amplificadores de Audio otencia Gráfico de señales en un amplificador. Señal de Entrada i Oscilación de la corriente C de salida Figura 19.6 Oscilación de la señal de salida 10
11 Amplificadores de Audio otencia ecta de carga de un amplificador clase A. AC será máxima cuando CM sea máxima. CQ C hipérbola de máxima disipación de potencia El máximo de CM depende del punto Q Q CQ CE 11
12 Amplificadores de Audio otencia ecta de carga de un amplificador clase A. CQ C C max CQ Q AC CQ CQ CE 1
13 Amplificadores de Audio otencia ecta de carga de un amplificador clase A. CQ CQ C Q CE CQ CQ CQ CQ CEQ E E E E CEQ CEQ 13
14 Amplificadores de Audio otencia ecta de carga de un amplificador clase A. CQ C ACmax 8 E CQ Q si ACmax E 8 CE 14
15 ráctica con OTEUS Amplificador de potencia clase A Diseñar un Amplificador de otencia clase A y simularlo en roteus = 8Ω = watts = 15 (v) 15
16 Amplificadores de Audio otencia otencia disipada por la fuente (cc). = CQ Esta potencia es constante e independiente de la señal de entrada. ara Mss CQ E E E Si E 16
17 Amplificadores de Audio otencia ot. promedio total disipada en el transistor (c). C E c representa la disipación interna del transistor y la especifica el fabricante. C E otencia otencia otencia otencia disipada disipada por el transistor CA disipada por la fuente en DC disipada en y y E E C E CQ E CM ot. en ot. en AC 17
18 Amplificadores de Audio otencia ot. promedio total disipada en el transistor (c). C MAX E CQ C Si C MAX MAX 4 E 4 E Se produce C MAX hay señal de entrada aplicada. Es decir el terminal cuando no CM 0 18
19 Amplificadores de Audio otencia Eficiencia ( ) en un amplificador (rendimiento). AC 100 CM Si E CM 19
20 Amplificadores de Audio otencia Eficiencia ( ) en un amplificador (rendimiento). a máxima eficiencia ACMAX 8 1 5% 4 0,5 Max ocurre cuando AC ACMAX AMFCADO COMETAMENTE NÚT: SOO AA TABAJA EN BAJA OTENCA, ES DEC MENO A 1 WATT. 0
21 Amplificadores de Audio otencia Figura de mérito (es una relación entre la potencia disipada por el transistor, respecto a la potencia disipada en la carga). C MAX AC MAX 4 8 C MAX AC MAX Significa que para disipar 1 watt en la carga, el transistor debería disipar watts (el doble). 1
22 Amplificadores de Audio otencia Amplificador de potencia clase A con carga inductiva. - Con una gran cantidad de potencia se disipa en ella a causa de CQ - Esto da como resultado un = 0.5 como máx. - eemplazando por una gran inductancia (choke), veremos que el rendimiento ( ) aumenta.
23 Amplificadores de Audio otencia Amplificador de pot. clase A con carga inductiva. Si X f E 3
24 Amplificadores de Audio otencia ecta de carga de un amplificador con carga inductiva. C CQ 1 CE ara los interceptos CQ CEQ CQ CEQ CEQ para M.S.S. 4
25 Amplificadores de Audio otencia ecta de carga de un amplificador con carga inductiva. Figura 0. Cuando CEMAX CEMAX ara CEMAX C 0 recta de carga CEQ M.S.S. (.C.) CEMAX CQ en AC 5
26 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A con carga inductiva Cálculo de potencia. C CM sen t ara M.S.S. CM sen t C CQ otencia entregada CQ CQ por la fuente otencia transferida a la carga MAX MAX ef CQ CM ara M.S.S. 6
27 Amplificadores de Audio otencia otencia disipada en el transistor (c). Amplificador. clase A con carga inductiva C C C CM E a máxima cuando C C C MN MN CM potencia 0 se obtiene 7
28 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A con carga inductiva endimiento ( ). CM CM % CQ η será máxima cuando CM CQ Figura de mérito C (se mantiene). MAX MAX 8
29 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A con carga inductiva Ejercicio propuesto. ara el ejercicio obtener máxima transferencia de potencia a la carga (MAX) calcular además N y. 9
30 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A acoplado por transformador epresentación eléctrica del transformador. 1 N : Si Si N N 1 reductor de voltaje 1 elevador de voltaje 30
31 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A acoplado por transformador. 1 N : Figura N 1 N 1 N es la relación de vueltas de la bobina. 1 i i i i en N 1 N N N 31
32 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A acoplado por transformador. Circuito básico de amp. acoplado por transformador + ' N AC E 3
33 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A acoplado por Transformador Comportamiento en AC. + ' Este es el circuito equivalente que ve la corriente alterna en su paso por el amplificador. E AC as ecuaciones de potencias vistas anteriormente para un amp. con carga inductiva se cumplen de igual manera para este amplificador. Se reemplaza por 33
34 Amplificadores de Audio otencia Amp. clase A acoplado por transformador. Ejercicio propuesto. Determinar el M.S.S. y la máxima potencia disipada en la carga, dibujar la hipérbola y la recta de carga en alterna. Calcular cq, ceq, cc, max y otros. 34
35 Amplificador clase B push-pull Circuito básico de un amplificador clase B push-pull T 1 Q T i 1:1 Q 1 Figura.1 N:1 35
36 Amplificador clase B push-pull Gráfico de ondas presentes en el amplificador Figura.a Figura.b 36
37 Amplificador clase B push-pull ndique como se evita la distorsión de cruce por cero Dibuje la solución 37
38 Amplificador clase B push-pull Determinación de la recta de carga Figura.3 Este es el circuito que recorre, un solo semiciclo de la señal. 38
39 Amplificador clase B push-pull Determinación de la recta de carga C ecta de carga en A.C. ecta de carga en D.C. i C - 1 = CE ' CE Máxima señal de salida en "un" transistor 39
40 Amplificador clase B push-pull Determinación de la recta de carga Figura.4 a corriente que entrega la fuente es pulsante, puesto que no existe N no circula corriente en el colector, y la corriente que se ve en este punto es idéntica en la forma de onda de la señal de entrada. Figura.5 40
41 Cálculos de potencia Sea i im sen t otencia suministra da por la fuente 1 T CM T T C 1 t C t dt CM 41
42 Amplificador clase B push-pull Cálculos de potencia OTENCA ENTEGADA O A FUENTE El MAX MAX MAX se obtiene cuando CM MAX CM sea máximo MAX 4
43 Amplificador clase B push-pull otencia transferida a la carga () 43 Cm Cm Cm m N MAX
44 Amplificador clase B push-pull otencia disipada en el colector C C CM Cm (1) Cm C Cm 0 () en (1) Cm () C MAX
45 Amplificador clase B push-pull endimiento ( ) 1 CM 4 CM CM MAX MAX MAX CM % 45
46 Amplificador clase B push-pull Figura de mérito C MAX MAX C MAX 1 5 MAX 46
47 TABA ESUMEN (con > E ) CASE OTENCA DSADA EN A CAGA OTENCA SUMNSTADA O A FUENTE OTENCA DSADA EN E TANSSTO ENDMENTO Figura de mérito D A (resistivo) A (NDUCTO) B o AB % 50 % 78,5 % C C MAX AC MAX MAX AC MAX C 1 5 MAX MAX 47
48 Otros amplificadores de potencia Amplificador clase B simétrico complementario. + 1 T 1 i T 48
49 Otros amplificadores de potencia Amplificador en contrafase de simetría complementaria con Transistores Darlington. 1 1 i C 1 E E O C 49
50 Otros amplificadores de potencia Amplificador en contrafase cuasicomplementario. Figura
51 Otros amplificadores de potencia Amplificador en contrafase cuasicomplementario con corrección de distorsión de cruce por cero. Figura 3.4a 51
52 Otros amplificadores de potencia Amplificador en contrafase cuasicomplementario con corrección de distorsión de cruce por cero. Figura 3.4b 5
53 DSADOES DE CAO Analogía térmica de un transistor de potencia. th - JA th - JC th - CS th - SA θ θ JC θ JA θ CS SA esist. térmica total (de la unión al ambiente) esist. térmica del transistor (de la unión al encapsulado) esist. térmica del aislamiento (del encapsulado al disip. ) esist. térmica del disipador decalor (del disip. al ambiente) 53
54 Analogía térmica a eléctrica Figura
55 DSADOES DE CAO Analogía térmica de un transistor de potencia. El SA T T JA J J D T valor C D JC JC T JA J de JC JA CS T T CS y A A D JC SA SA se debe cálcular. j c lo entrega Juntura Carcasa s Disipador a Ambiente a jc TMC º el C W fabricante. 55
56 roblema resuelto Un Transistor de potencia se opera con un disipador de calor ( SA =1,5ºC/W). El Transistor, con una potencia de nominal de 150 W (5 ºC), tiene JC =0,5ºC/W y el aislamiento de montaje tiene CS =0,6ºC/W. Qué potencia máxima se puede disipar si la temperatura ambiente es de 40ºC y T Jmáx =00ºC Calcule el área de disipación SOUCÓN: T T j A 00º C 40º C 68, 08W D 0,5º C / W 0,6º C / W 1,5º C / W JC CS SA a disipación es de 68,08 W, que no supera la potencia nominal del transistor. El área de disipación se puede encontrar en el gráfico de la transparencia siguiente y sería de 35 cm, para aluminio normal o no ennegrecido de 1,5 mm de espesor 56
57 Disipadores de calor Cálculo de Área del Disipador (heatsink) ºC/W SA 1.4 1,385 1 mm unblackened Aluminium 1.3 1, mm unblackened Aluminium 1, mm blackened Aluminium cm Area (cm ) one side 57
58 Disipación de Calor En las especificaciones técnicas provistas por los fabricantes de semiconductores, uno de los datos que se provee es la máxima disipación posible, para que no se destruya el componente. Encapsulado TO-3 58
59 Descripción Donde Siendo la temperatura de la juntura: a resistencia térmica total es: 59
60 Encapsulado TO-0 En general se puede decir que: JC Está determinada por el fabricante y es dato que aparece en los manuales. CH Determinada por el tamaño y calidad de las áreas de contacto, entre la carcaza y el disipador, el uso de materiales intermedios y la presión de contacto. HA Determinada por el diseño del disipador, i.e. material y forma. a selección de un disipador es un compromiso entre la mayor seguridad de funcionamiento del semiconductor y el costo del disipador. 60
61 Ejemplo de Construcción DSADO de extrusión de Aluminio anodizado negro Modelo Dimensiones A mm (pulgadas) 6660B (6.000) 6690B 8.60 (9.000) Dimensiones B mm (pulgadas) (5.000) 03.0 (8.000) th ( C/W)
62 Disipadores de calor ESSTENCA TÉMCA Gráfico de disipación de calor en un disipador de aluminio. ( o C/Watt v/s área). AEA 6
63 Ejemplos 63
64 Hojas de datos de transistores de potencia -N3055 -N5303 -N5630 -BD41C -BD43C -BD45C -T9C -T33C -T41C Circuitos ntegrados -TDA003 -TDA797(pte) -TDA7490(clase D) -M4651(clase D) 64
65 roblemas esueltos 65
66 1. a. Calcule la potencia alterna aplicada a un parlante de 8 ohm para el circuito de la figura. a polarización del circuito ocasiona una corriente de base DC de 6 ma y la señal de entrada (i) da como resultado una excursión peak de la corriente de 4 ma b. Calcule la potencia entregada por la fuente () c. a potencia disipada por el transistor (C) d. a eficiencia del circuito () = 10v 1 N = 3 C (ma) E C E 8 6 = B 4 CE (v) 66
67 C (ma). de C. DC = B 4 5 1, ,3 0 CE (v) 67
68 ara DC se considera E pequeño, por lo tanto = CQ E + CEQ = CEQ a. Cuando B = 6mA el punto Q es CEQ = 10v; CQ = 140 ma. a resistencia observada en el primario es = N = 3 8 = 7 ohm la pendiente = 1/7 C = CE / = 10 / 7 = 139 ma (este valor debiera ser aproximadamente el doble del C en el punto Q, es decir, 80 ma) CQ + C 140 ma ma = 79 ma Del gráfico se saca CE min = 1,7 v C min = 5 ma CE max = 18,3 v C max = 55 ma CE rms = (CE max CE min) / C rms = (C max C min) / eemplazando valores rms = CE rms C rms = 0,477 watt 68
69 b. = CQ = 10v 140 ma = 1, 4 watt c. C = = 1,4 0,477 = 0,9 watt d. = ac / * 100 = 34,1 % < 50 % ideal, debido a que la incursión peak máxima, es menor a 69
70 . ara un amplificador clase B que proporciona una señal peak de 0 (v) a una carga de 16 ohm y una fuente de alimentación = 30 v, determine la potencia de la fuente (), la potencia en la carga () y la eficiencia del circuito (). 70
71 SOUCÓN: Una señal peak de 0 v a través de una carga de 16 ohm ofrece una corriente de carga peak peak = peak / = 0/16 =1,5 A. El valor del consumo de corriente continua de la fuente de alimentación será DC = / peak = / 1,5 = 0,796 A = * DC = 30*0,796 =3,9 watt y (ac) = peak / = 0 / * 16 = 1,5 watt = (ac) / (dc) *100 = 1,5 / 3,9 * 100 = 5,3% < 78,5% ideal, dado que la incursión ideal máxima es = 30 v, pero solo se está incursionando con 0v, por lo tanto el rendimiento cae de 78,5% (ideal) a 5,3% (real) TAEA: Demostrar que si la señal de entrada es de 30 v peak: máx = 35,81 watt máx = 8,15 watt max = 78,5 % Cmax = 5,7 watt 71
72 3. SOUCÓN AA ETA A DSTOSÓN DE CUCE EN OS AMFCADOES CASE B T 1 1 T 7
73 4. ara el circuito de la figura, calcule la potencia manejada por cada transistor de salida y la eficiencia del circuito para una entrada (i) de 1 rms = 5v C 1 1 T 1 D i 3 = 4 ohm T C = 5v 73
74 SOUCÓN: i peak = i = 16,97 v peak 17 v Dado que esta configuración es de colector común, eso implica que la ganancia Av = 1, esto significa que el valor i se replica en cada transistor cuando estos conduzcan. peak = 17 v ac = ( peak ) / = 17 / *4 = 36, 15 watt ac = 36, 15 watt a corriente peak de carga es peak = peak / = 17 / 4 = 4,5 A y la corriente DC entregada por la fuente es dc = / * peak = / * 4,5 =,71 A dc =,71 A = * dc = 5 *,71 = 67,75 watt *C = ac = 67,75 36,15 = 31,65 watt cada transistor C = 31,65 / = 15,81 watt = / *100 = 36,15 / 67,75 *100 = 53,3% TAEA: ara el circuito anterior demostrar que la potencia máxima que entrega la fuente, max, i max y la potencia disipada por los transistores son: max = 99,47 watt max = 78,15 watt = 78,5% ara alcanzar esta máxima potencia peak = = 5 v, C = = 1,3 watt 74
75 5. Calcular la eficiencia () y la disipación de potencia de cada transistor en la etapa de salida complementaria de la figura, si cc = 1 v y = 50 ohm, CE sat = 0, v BE = 0,7 v T 1 i = 50 ohm T 75
76 SOUCÓN: El voltaje peak de la carga es peak = CE sat = 1 0, = 11,8 v a corriente peak en la carga es: peak = peak / = 11,8 / 50 = 0,36 A a potencia de la fuente = / * peak * cc = *0,36 *1 / = 1,8 watt a potencia en la carga = peak * peak / = 0,36 * 11,8 / = 1,39 watt = / *100 = 1,39 / 1,8 *100 = 77,% a potencia que disipa cada transistor es: C = ( ) / = (1,8 1,39) / = 06 mw 76
77 6. DBUJA E DAGAMA DE BOQUE DE UN AMFCADO DE AUDO OTENCA EN CONFGUACÓN UENTE ( AMFCADOES) DEMOSTA QUE A OTENCA EN A CAGA ES 4 ECES A OTENCA DESAOADA O UN AMFCADO 77
78 inculaciones de apoyo Teoría de circuitos.. Boylestad Dispositivos Electrónicos Thomas Floyd rincipios de electrónica Malvino 78
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