Ampli cadores de Potencia

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1 Ampli cadores de Potencia J..Huircan Uniersidad de La Frontera January 6, 16 Abstract Los ampli cadores de potencia son conertidores que transforman la energía de la fuente de polarización en señal de potencia de salida. Estos pueden ser tipo clase A, AB, B y. Los cuales tienen distintos parámetros de e ciencia y uso. 1 ntroducción Un ampli cador de potencia conierte la potencia de una fuente de corriente continua (Polarización de un circuito con transitores) a potencia de salida en forma de señal, lo cual es controlado usando una señal de entrada. Si sobre la carga se desarrolla una gran cantidad de potencia, el dispositio deberá manejar una gran excursión en oltaje y corriente. Los puntos de operación deben estar en un área permitida de oltaje y corriente que asegure la máxima disipación, (SOA, Safe Operating Area). Se deben considerar los oltajes de ruptura y efectos térmicos permitidos en los dispositios de estado sólido, las características no lineales en el funcionamiento y usar los parámetros para gran señal del dispositio. La cura de la Fig. 1 muestra las caracteristicas de emisor y colector de un transistor delimitada por el SOA, que está de nido por la P EMAX. [1]. i Max SOA P V B = E Figure 1: Area Segura de Operación del Transistor. La corriente i y el oltaje V E no podrán sobrepasar los máximos indicados. 1

2 lasi cación de los ampli cadores de potencia Existen cuatro clasi caciones básicas de ampli cadores de potencia: A, AB, B y. En clase A, el ampli cador está polarizado de tal forma que la corriente por el colector uye durante el ciclo completo de la señal de entrada. Para clase AB, la polarización del ampli cador es de tal forma que la corriente de colector solamente uye para un lapso menor a los 36 o y mayor a los 18 o de la onda correspondiente. Para el funcionamiento en clase B, la corriente uirá solo durante 18 o de la onda de entrada. Finalmente, para funcionamiento en clase, el dispositio conducirá durante un periodo inferior a los 18 o correspondiente a la onda de entrada. La Fig., muestra el comportamiento del dispositio en las distintas clases. BE i lase A π π lase B π lase AB π π onducción > π lase π onducción < π Figure : omportamiento para clase A, AB, B,. Los ampli cadores tipo AB y B usan con guraciones transistorizadas llamadas push-pull. ada uno de estos ampli cadores posee características de e ciencia y distorsión distintos, por lo cual, sus aplicación será a distintas áreas. 3 Relaciones básicas en los ampli cadores de potencia Para el análisis de los ampli cadores de potencia se requiere de relaciones asociadas a su funcionamiento y desempeño. omo el ampli cador de potencia conierte la potencia de de la fuente de alimentación en una señal de potencia en la carga, la e ciencia de este proceso está dada por = P L(A) P (1)

3 Donde es la e ciencia, P L(A), es la potencia media de señal en la carga y P, la potencia media de salida en la fuente de alimentación. La potencia media disipada en el dispositio de ampli cación, considerando un transistor bipolar como dispositio de potencia, será P E = P P L () Donde P E es la disipación media de colector, P L es la potencia total, es decir, P L = P L(D) P L(A). Para la determinación de las potencias se usará (3), donde p es la potencia instantánea, e i son el oltaje y la corriente instantáneos. p = i (3) Sean e i formas de onda periodica, con componente continua (la cual puede ser cero) y una componente de corriente alterna, no necesariamente sinusoidal Luego la potencia media en un periodo T será = V D A (4) i = D i A (5) P = 1 Z p d!t = V D D 1 Z " " P P A A i A d!t (6) Donde, P es la contribución de la componente continua y P A es la contribución de la componente alterna a la potencia media. onsiderando A (t) = V m cos!t y i A (t) = m cos!t; reemplazando en (6), se tiene P = V D D 1 Z [(V m cos!t) ( m cos!t)] d!t = = V D D V m m = V D D V m m (7) omo = p p ; entonces P = V D D V m m p p = V D D V rms rms (8) 3

4 uando una señal de corriente periódica tiene componente continua el alor rms de la forma de onda se expresa como q rms = D 1 rms rms ::: n rms (9) Donde D, es la componente continua de la señal, 1rms es el primer armónico de la señal, nrms es el n ésimo armónico de la señal. Para el caso de una señal sinusoidal con componente continua será q rms = D rms (1) 4 El ampli cador lase A En operación clase A, el transistor reproduce toda la señal de entrada, la corriente de colector es distinta de cero todo el tiempo, lo cual se considera muy ine ciente, ya que para señal cero en la entrada, se tiene un Q >, luego el transistor disipa potencia. 4.1 Ampli cador Emisor común Sea la con guración de emisor común de la Fig. 3a, la cual funciona en clase A. Por simplicicidad se hace la resistencia de emisor R E =. Se selecciona para máxima potencia de salida, lo que implica que la recta de carga de A debe pasar por la cura P EMAX. El circuito equialente de y A se indica en la Fig. 3b-c. R B i = E i = E V EQ Q (a) (b) (c) Figure 3: (a) Emisor omún. (b). (c) A. Dependiendo del diseño, las rectas de carga estarán en dos puntos de operación Q; los cuales se intersectan con la cura P EMax; de acuerdo a la Fig. 4a, se obsera que será la máxima corriente permitida para i y V E1 será el 4

5 máximo oltaje permitido para E : El óptimo elegido será el punto de reposo Q 1, debido a que 1 <, lo cual implica una menor corriente de colector, menor distorsión y una menor corriente de base requerida para obtener. Para que la realización sea factible, V E1 debe ser menor que V EO, así se tomará que V E1 =. Lo cual puede no ser necesariamente efectio para otras con guraciones en clase A. i 1 P i Max P Q Q Q Q 1 V E VE 1 E V EQ V E (a) i (b) Max = P Q= R L Q Q V EQ V = V E V V EQ= (c) Figure 4: (a) Distintos puntos Q. (b) Punto Q para máxima excusión simétrica. (c) Excursión de la corriente y el oltaje. Para alores arbitrarios Max y V EMax, el punto Q estará dado por la tangente a la cura P EMax, en las coordenadas Q = Max y V EQ = V EMax de acuerdo a la Fig. 4b. Se asume que la señal de entrada puede manejar el transistor entre el corte y la saturación, de esta forma para una ariación en la corriente de base, se tiene la ariación en la corriente de colector, y una ariación en la potencia. La recta de carga de A tiene la misma pendiente que la recta de carga de. En la Fig. 4c, se obseran la onda de corriente i y E : Note que la excursión será simétrica, así de acuerdo se tiene Q = y V EQ =. La Fig. 5, muestra las formas de onda a traés del tiempo i, E, p. La onda de potencia instantánea de la fuente p, estará dada por el producto i y tiene la misma forma que i. P E = i c E. Note que la forma de onda de P E tiene una frecuencia el doble de las otras formas de onda. 5

6 i Max Max = Q E ω t V E M ax V E M ax p V = EQ ω t P =V Q ω t Figure 5: uras de i, E y p Determinación de la E ciencia La potencia en la carga será P L = rms (11) Luego de acuerdo a (9) o (1), considerando que la corriente tiene componente continua y alterna, se tiene P L = s 4 3 Q Q p 5 = Q Q = V V (1) Entonces P L = V 4 8 (13) " " P L() P L(A) Por otro lado, la potencia promedio entregada por la fuente será P = Q = V (14) 6

7 Finalmente, la e ciencia estará dada por = V 8 V = :5 (15) La e ciencia de este ampli cador es baja, 5%, esto debido principalmente a que se mantiene una corriente de reposo en la carga, la cual no es usada (desperdiciada). La potencia disipada en el transistor será P E = P P L = V V V 4 8 = V 4 V 8 (16) 4. on guración emisor común con transformador de acoplo Sea el circuito de la Fig. 6a. Una forma de mejorar la e ciencia del ampli cador clase A es usar el acoplo de la carga mediante un transformador. ómo es eso? V N p N s ' ' = N p N s (a) (b) Figure 6: (a) Ampli cador acoplado por transformador. (b) Equialente. Para y A se obtienen los circuitos equialentes de la Fig.7. ' E = V EQ =V i = E ' V EQ ' Q (a) (b) Figure 7: Equialentes de y A 7

8 Al considerar el acoplamiento, la recta de carga en pasa por V EQ =, pues R =, luego la recta de carga de A corta el eje del oltaje en un alor V EMax =. omo consecuencia de esto, cuando no hay señal, no existirá corriente por el colector. i Max= Q ' P i Max Max E = Q ω t ' Q Q V V p V EQ= ωt V EQ =V V =V E P = V ω t Q (a) (b) Figure 8: Rectas de carga de y A Determinación de la E ciencia La potencia en la carga será P L = rms (17) omo sólo la carga recibe componente alterna, la corriente efectia será la amplitud sobre p ; luego omo Q = R, así L P L = Q p (18) P L = P L(A) = V Dado que la potencia media de la fuente es P = Q, entonces (19) P = Así, la e ciencia de la conersión será = V () = P L(A) P = V V = :5 8

9 Finalmente, la potencia disipada por el transistor será P E = P P L = V V = V Note que solo existe P L = P L(A). Example 1 Sea el ampli cador clase A de la Fig.8, sabiendo que a la carga se le entrega una potencia de [W ] :onsidere la relación de transformación n:1. alcular la potencia de la fuente P y Q para que el transistor trabaje en clase A: Dado que el rendimiento es el 5%, se tiene :5 = P L(A) P = [W ] P entonces P = 4 [W ] : P L = omo P L(A) Q p R L ; = V = = [W ], entonces = 1 [] : Dado que [W ] = Q p 1 [] Q = : [A] 4.3 Ampli cador con resistencia de emisor Una ariación del ampli cador considera R E 6= ; de acuerdo a la Fig. 9a. i Recta de carga de N p N s Max P Q Q R R E Recta de carga de A V =V EQ V E (a) (b) Figure 9: (a) Ampil cador con R E :(b) Rectas de carga ampli cador modi cado. Para esta situación se tiene que la recta de no es del todo in nita dado el alor de R E como se indica en la Fig. 9b. La recta de A será léemente modi cada. Sin embargo, el rendimiento permanece igual. 9

10 Example Sea el ampli cador de la Fig.1, determine la potencia en la carga, la potencia entregada por la fuente y la potencia disipada por el transistor. onsidere la relación de transformación n : 1, R E = 1 [] ; = 8 [] : 1[V] n:1 R R E E Figure 1: Ampli cador con R E y E. Para, se tiene Para A, 1 [V ] = Q 1 [] V EQ V EQ E = i RL E i = RL V EQ RL La maxima excursión se dará cuando cuando V EQ = Q R A = Q Q Luego reemplazando Q en la recta de carga de, se tiene 1 [V ] = 1 [] V EQ ; así se obtiene V EQ = Q = 1 [V ] 1 [V ] = = 8:88 [V ] 1 1 1[] [V ] 1 [V ] 1 [] RL = = 1:11 [A] 8 [] 1 [] Para el cálculo de las potencias se tiene P L(A) = rmsr L Q = p RL = Q R L = 4:93 [W ] P = Q = 1 [V ] 1:11 [A] = 11:11 [W ] La potencia disipada por el transistor será P E = V = 6:5 [W ] Se obsera que el rendimiento será = 4:93 11:11 = :44: 1

11 5 El ampli cador lase B En esta operación, se usa un transistor para ampli car el ciclo positio de la señal de entrada, mientras un segundo dispositio se preocupa del ciclo negatio. La con guración se conoce como push-pull. Q 1 N p V 1 N s N p Q Figure 11: Ampli cador clase B. Se requieren dos transistores para producir la onda completa. ada transistor se polariza en al punto de corte en lugar del punto medio del interalo de operación. Si el oltaje de entrada es positio, de acuerdo a la conexión del transformador se tiene que Q 1 conduce y Q está en corte. Si el oltaje de entrada es negatio Q 1 no conduce y Q conduce. Esto permitirá obtener la onda de salida de acuerdo a la Fig.1. Q 1 N p V 1 N s Q N p (a) Q 1 N p V 1 N s Q N p (b) Figure 1: onducción de los transistores. La corriente de colector es cero cuando la señal de entrada es cero, por lo 11

12 tanto el transistor no disipa potencia en reposo. En, el V EQ =, y en A, la ariación de i será solo positia, considerando que la recta de carga es i = E R V EQ L R L Q ; de la cura se tiene que Q =, luego para i =, la recta corta en E =, de acuerdo a la Fig.13. i Max = R L ' P Max Q V =V E Figure 13: Rectas de arga A y del ampli cador clase B. Al considerar señal positia en la base, el E disminuye a partir de como se muestra en la Fig.14. i Esta cura corresponde a un transistor (Q1) Max P Max Q V =V E Figure 14: Variación en torno al punto de operación. De la cura dada en la Fig. 13, se obtiene Max = V EMax = Luego, la potencia en la carga será nueamente la indicada en (11). En este 1

13 i1 M ax i ω t M ax ω t i M ax Promed io ω t Figure 15: uras de corriente. caso, cada transistor opera durante un semi-ciclo, por lo tanto, el alor efectio de la onda será Max : Así, la potencia total en la carga por cada transistor será P L = Max R L = V R L = V 4 Luego, la potencia total en la carga suministrada por ambos transistores P L(A) = V (1) () Para determinar la potencia entregada por la fuente P, se requiere determinar la corriente media consumida por el transistor (corriente promedio), la cual se llamará. De acuerdo a la Fig. 15, la onda de corriente producida será la superposición de los dos semiciclos aportados por la conducción de los dos transistores. Así se tiene que = 1 Z = Max Max sin (!t) d!t Z sin (!t) d!t = Max P = Max = RL = V Finalmente, se tiene el redimiento = :636 V (3) 13

14 = V V = = :785 (4) 4 Lo que corresponde a un 78.5% de e ciencia en la conersión. Por otro lado, la potencia disipada por el colector será P E = V 5.1 Ampli cador de Simetría omplementaria Sea el circuito de la Fig. 16 que corresponde a un ampli cador de simetria complementaria. La carga será de acoplamiento directo. - Figure 16: Ampli cador de simetría complementaria, con acoplamiento directo. uando la señal de entrada es positia, el oltaje en el emisor de Q 1 es leemente menor que en la entrada, haciendo conducir este y dejando en corte Q. uando el oltaje de entrada es negatio, conduce Q, quedando en corte Q 1, como se muestra en la Fig. 17. Q 1 Q Q 1 Q - - Figure 17: Funcionamiento del simetría complementaria. 14

15 6 El problema de la distorsión El problema de la con guración es que la onda de salida tiene distorsión debido a que los transistores no empiezan a conducir inmediatamente, dado que la señal en la base debe sobrepasar el umbral V BE : El semi-ciclo de la salida no es una sinusoide perfecta. (t) ω t Figure 18: Distorsión de la onda de salida. La ersión propuesta en [3] para el ampli cador con transformador se muestra en la Fig. 19. Para este caso en, se tiene la base polarizada a traés de V BB y R B. R B V BB N p V 1 N s N p Figure 19: Modi cación para atenuar la distorsión. En rigor puede ser implementada de acuerdo al circuito de la Fig. se considera que R entregan un oltaje en la base en torno a V BEON. Lo cual permite la conducción del transistor al inicio de la onda de entrada. Para este caso, la conducción de ambos transistores será mayor a 18 ; lo que hace que su funcionamiento sea llamado lase AB. V BB = R R B = V BB V BE jjr = V BB V BE R B Esta red resitia puede ser modi cada usando un diodo, el cual permitirá obtener el oltaje requerido para la base del transistor. 15

16 R N p V 1 N s N p Figure : Disminución de la distorsión. R V BB D 1 V BB Figure 1: Red de polarización. 7 Ampli cadores lase AB Se dice que este ampli cador posee un comportamiento en clase A y clase B []. En este ampli cador, el funcionamiento del dispositio de potencia es mayor a los 18 y menor a 36 : El ampli cador de simetría complementaria puede ser modi cado de acuerdo al esquema indicado en la Fig.. Para lo cual se requiere que V BB = V BE = V EB : lo que asegure que ambos transistores queden al borde de la conducción. V BB V BB - Figure : Ampli cador lase AB de simetría complementaria. Luego un pequeño oltaje positio hara que conduzca ale transistor NPN, 16

17 de forma análoga el transistor funcionará con un pequeño oltaje negatio en la entrada. De acuerdo a esto se indican las ariantes de la Fig. 3, esto permite que los transistores entren en operación al recibir la señal de entrada. R R D 1 R R D (a) (b) (c) Figure 3: Modi cación del ampli cador con simetría complementaria (a) Diisor de oltaje. (b) alternatio. (c) con diodos. 8 Ampli cador de simetría complementaria con acoplamiento capacitio El circuito de la Fig.4 será un ampli cador de simetría complementaria con acoplamiento capacitio. Para este caso se tiene que la alimentación de cada transistor es y la carga será. Figure 4: Ampli cador de simetría complementaria con acoplamiento capacitio. De esta forma a partir de las relaciones del clase B push-pull, (), (3) y 17

18 (4), reeemplazando por y por, se puede determinar P = V 4 P L = 8 P E = V 4 Luego el rendimiento será = V 8 = V 4 = : Modi cación del ampli cador de simetria complementaria con acople capacitio Debido a que este ampli cador trabaja con una sola fuente, es posible modi - carlo de acuerdo a la Fig. 5a-b. R D 1 R D (a) (b) Figure 5: (a) Modi cación con malla resistia. (b) Usando diodos. 9 onclusiones Se han planteado algunos conceptos básicos de ampli cadores de potencia. Las magnitudes más importantes a considerar son la e ciencia, la potencia en la carga y la potencia disipada en el transistor. ada una de las con guraciones 18

19 tiene un rendimiento diferente, es importante determinar las magnitudes asociadas a las ariables de tal forma de ocupar las ecuaciones adecuadas tanto para análisis como para diseño. References [1] uttler, P. (197). Linear Electronics ircuits, McGraw-Hill. [] Saant, Roden, arpenter (1993). Diseño Electrónico. Addison-Wesley. [3] Rashid, M. (). ircuitos Microelectrónicos, Análisis y Diseño. Thomson. [4] iroic, M, Harter, J.(1987) Electronics Deices, ircuits and Systemas, Englewood li s, N.J. : Prentice-Hall [5] Dede, E, Espi, J (1983) Diseño de ircuitos y Sistemas Electrónicos, Marcombo 19