AMPLIFICADORES LINEALES DE POTENCIA PARA BAJA FRECUENCIA (AUDIO)

Transcripción

1 AMIFICADOES INEAES DE OTENCIA AA BAJA FECUENCIA (AUDIO) 1

2 Introducción i re Amplificador Etapa de otencia o angos de tensión y corrientes pequeños. Alta ganancia de tensión para reducir la no linealidad y la distorsión. Niveles de tensión y corrientes grandes Transfiere potencia hacia a la carga con niveles aceptables de distorsión. Gana en otencia. Etapa de salida, cuyo objetivo es entregar la máxima potencia a la carga, con la mínima distorsión y con rendimiento máximo, sin sobrepasar, los límites máximos permitidos de disipación de potencia de los elementos empleados.

3 Introducción 3 El parlante o altavoz convierte una corriente eléctrica en ondas acústicas de presión, que se logran mediante el desplazamiento de una superficie, que de este modo mueve el aire, y este movimiento se propaga, cubriendo una superficie cada vez mayor. as ondas acústicas pueden ser detectadas por el oído humano si tienen el nivel y la frecuencia adecuados. Nivel: El oído tiene un margen dinámico de unos 10 db. Frecuencia: el oído puede percibir sonidos entre 0 Hz y 15 khz. Aunque de forma habitual se considera que la banda de audio llega a 0 khz, es absolutamente excepcional que un adulto puede llegar a oír esta frecuencia. as impedancias características de los parlantes son: 4 Ω, 8 Ω, 16 Ωy 3Ω

4 4 Etapa de entrada Etapa intermedia excitadora (driver) Etapa de salida de potencia ed de realimentación negativa Especificaciones técnicas Sensibilidad de entrada (Input level) Tensión de saturación de entrada (Maximum input level) Impedancia de entrada y salida (Input/output impedance) otencia de salida(ower output) espuesta en frecuencia (Frequency response) Distorsión armónica total(harmonic Distortion) elación señal a ruido (Signal-to-noise ratio) uido equivalente de entrada (Equivalent input noise) Margen dinámico (Dynamic range) 4

5 endimiento 5 otencia de entrada otencia de salida + potencia disipada η O C C x100 endimiento: otencia entregada a la carga / potencia que entrega la fuente

6 endimiento otencia de entrada otencia de salida + potencia disipada + o dis + + i o dis I. η cc: otencia continua que entrega la fuente de alimentación O i x100 6 a potencia que deben disipar los componentes es: O 1 dis O O O 1 η η El rendimiento en los sistemas de potencia afecta a la vida de las baterías y al costo del equipo. Toda la potencia que no se entrega a la carga se disipa en forma de calor (se pierde).

7 Características 7 Etapadesalida Excitado con grandes señales(del orden de cc) Cargapequeña(4Ω,8Ω,16Ω) roporcionan grandes señales de potencia a sus cargas. Cuanto menor es η, mayor es la disipación y por tanto el calentamiento en el equipo. roblemadebidoaladistorsióndenolinealidadquese producen en las señales de potencia(grandes) osmodelosdepequeñaseñalnoaen

8 Clasificación de los amplificadores de otencia a clasificación esta dada según: la zona de trabajode los dispositivos de salida. Tipo de carga la frecuencia Se clasifican según la fracción de tiempo que están conduciendo el/los transistores del circuito, lo cual determina la forma de onda de la corriente en colector, producida por una entrada senoidal: 8 ClaseA. Conduce todo el tiempo, ángulo de conducción θ ω.t 360, I CQ >I p Clase B. Conduce mitad del tiempo, I CQ 0;ángulodeconducciónθω.t 180 (mayor η)

9 Clasificación de los amplificadores de otencia 9 Clase AB. Conduce más de la mitad del tiempo, ángulo de conducción 180 <θ <360 I CQ <I p,, menor distorsión. Clase C. Conduce pequeña fracción de tiempo, ángulo de conducción θ ω.t < 180 (gran η, sin distorsión). Su carga es un resonante C Clase D. Usa señales digitales que se activan durante un intervalo corto y se desactivan durante un intervalo más largo. Como el amplificador se activa (utilizando potencia) sólo durante intervalos cortos el rendimiento es muy alto η 100 %)

10 Amp. de otencia Clase A-Seguidor Emisivo 10 I C [ma] C I ɵ Om I CQ Se polariza en la zona de respuesta lineal, para MÁXIMA EXCUSIÓN. A h ( 1+ hf e) + ( 1+ ) h ie f e CIC Q Om CE [] Capacidad de responder a señales de cualquier polaridad. Mínima distorsión entajas

11 Calculo de la otencia de Entrada a potencia que entrega la fuente es: I CQ Como el transistor debe estar polarizado para máxima excursión: 11 I C [ma] I CQ CQ I ɵ Om I CQ in CE [] IC Q Observar que la potencia que entrega la fuente es constante sin importar la amplitud de la señal de entrada!!!!!!. 11 Om

12 Calculo de la otencia de Salida 1 O v ɵ Om Se hace la aclaración de potencia útil ya que sobre la carga también circula la corriente de polarización (cd) y que originará disipación en esta resistencia. Cálculo del endimiento del circuito η O in a máxima tensión de salida sin distorsión es: O max Omáx O η in 8 Om η máx Om max 1 η máx 4 5%

13 Calculo de la otencia disipada 13 dis o Om dis NOTA: En este ejemplo la resistencia de carga es C Observar: cuando no hay excitación, la potencia disipada es máxima, puesto que la potencia de señal en la carga es nula; es decir, como dis máx Esta potencia se debe disipar en las resistencias debido a la circulación de continua y principalmente en la juntura CE del TBJ. I distbj. 50% MAX CEQ CQ in 4

14 Amplificador de otencia Clase A 14 GAFICO DE OTENCIA S SEÑA DE SAIDA: a transferencia de potencia a la cargaesbajaycirculai DC por. dis es 4 El TBJ, disipa potencia con i0!!!! Desventajas Especificaciones del Transistor CE Máx I C Máx / d Máx / 4

15 Ejemplo Amplificador de otencia Clase A 15 Si h 1 i i fe b Si i i i i βi f C b f v + v i Omáx 4 Desventaja: Circula CD por el parlante dis máx

16 Ejemplo Amplificador de otencia Clase A

17 Desventajas: El cono del altavoz está permanentemente desplazado, ya que es atravesado por una corriente de continua. Cómo los altavoces se diseñan para que el cono tenga la posición de reposo con corriente nula, esta corriente continua provocará una mayor distorsión, y calentamiento del hilo del altavoz, que se ha diseñado para lidiar con señales sinusoidales positivas y negativas. Esto disminuye la visa útil del parlante. a excursión de la tensión de salida es menor que cc/ El rendimiento es bajo. a potencia disipada es enorme. Incluso en reposo, el circuito disipa. Considere que esto sucede antes de que haya empezado a sonar la música. entajas Sencillo Amp. de otencia Clase A-Seguidor Emisivo 17 Sin embargo, la idea no es mala del todo: es un buen comienzo, porque es un diseño que ofrece baja distorsión. 17

18 Clase A-Seguidor Emisivo -Salida desacoplada de continua 18 El espejo de corriente se basa en la conexión en paralelo de dos diodos iguales. Si son iguales y tienen la misma curva característica, por los dos diodos circula la misma corriente puesto que los puntos de funcionamiento son idénticos. ara una misma tensión ánodocátodo en los dos diodos se tiene una misma corriente en cada uno de ellos Si el diodo y el transistor son de silicio se pueden considerar iguales la tensión en extremos del diodo y la tensión entre base y emisor.

19 Clase A-Seguidor Emisivo -Salida desacoplada de continua 19 Características: Se reemplaza E por una carga activa- Fuente de corriente- a excursión de la tensión de salida es mayor que cc Diseño: D 0,7 I + 0 A A BE I A A BE vo vi BE

20 Clase A-Seguidor Emisivo -Salida desacoplada de continua 0 ara i c1 >0 + o( máx) CEsat Q 1 desactivado cuando i c1 0: i i i c1 0 o v i i BE o o A Si < A la salida no será simétrica para que no haya distorsión se debe cumplir: a máxima excursión de salida pico a pico es: pp máx CEsat ( ) ( ) El rendimiento de la etapa es menor al 5%!!!! A

21 Clase A-Seguidor Emisivo -Salida desacoplada de continua 1 Observe: condensador de desacoplo de salida (Co) Carga activa: Q forma una fuente de corriente constante. Diseño: Capacitor de salida Co: electrolítico, se carga a cc/. Forma Filtro pasa alto con

22 AMIFICADO CASE A CON ACOAMIENTO A TANSFOMADO Máxima transferencia de potencia a la carga O Om 1 η máx 50% dismax Especificaciones del Transistor CE Máx I C Máx / d Máx in /

23 AMIFICADO CASE B 3 En clase B el transistor se enciende cuando se aplica la señal de ca. El transistor conduce sólo la mitad del ciclo de la señal. ara obtener salida durante el ciclo completo de la señal se requieren dos transistores que conduzcan durante semiciclos opuestos. Como una parte del circuito empuja (push) la señal hacia arriba durante medio ciclo y la otra parte jala (pull) la señal hacia abajo durante el otro semiciclo, el circuito se conoce como circuito push-pull.

24 AMIFICADO CASE B - Simetría Complementaria 4 vo vi BE para BE vi BE Sí: i>0 Q1 en ON Q en OFF Sí: i<0 Q1 en OFF Q en ON

25 AMIFICADO CASE B - Simetría Complementaria I C [ma] CE [] OmMAX ara que el amplificador trabaje en clase B: Iɵ Om max Iɵ Om max Om max. 5

26 AMIFICADO CASE B: Simetría Complementaria 6 ic IOmsen t ɵ θ 180 ω Se polariza en el extremo de la zona de respuesta lineal. Capacidad de responder a señales de determinada polaridad. No se polarizan los transistores!!!!. No hay corrientesde polarización No hay disipaciónde potencia con i 0. Necesita de etapa complementaria para dar una salida bipolar.

27 AMIFICADO CASE B: Simetría Complementaria 7 OTENCIA DE ENTADA IDC Om π OTENCIA DE SAIDA OTENCIA DE DISIADA DMAX π ENDIMIENTO O Om D Om Om π otencia que debe poder disipar cada uno de los transistores O π Om π η η máx 78,54% 4 4 in

28 AMIFICADO CASE B - Simetría Complementaria 8 η π π GAFICO DE OTENCIAS Y ENDIMIENTO

29 AMIFICADO CASE AB- Simetría Complementaria 9 Circuito de polarización de base ara minimizar la distorsión por cruce se polariza la base y se deja a los transistores al borde de la conducción. ara ello se aplica un voltaje BE sobre la juntura BE. El circuito funciona en clase AB: ambos TBJ operan en la región activa. as relaciones de potencia son idénticas al clase B, excepto por que se disipa potencia de polarización I Q.. Si T Q1 y T Q aumenta y BE se mantiene constante, la I C aumenta con la temperatura. El incremento de I C provoca el incremento de D, lo que aumenta la I C EMBAAMIENTO TÉMICO. as tensiones de polarización deben disminuir con el incremento de la Temperatura

30 AMIFICADO CASE AB- Simetría Complementaria 30 Circuito de polarización de base: Multiplicador de tensiones Base-Emisor I AB BE3 I ( + ) p 1 BE3 AB 1+ AB BE3 1+ 1

31 AM. CASE B - Simetría Complementaria - EJEMO 1 31 Sobre la carga: om cc om máx cc O Om Omáx Cálculo de los TBJ: Q1 y Q par complementario- ICMAX BD139/140 Q1, Q CEMAX Cálculo de las resistencias: dmax EIom E Adopto 4π E Emáx 10. I. ( + ) I B B B BE B E CutOFF I om Diodos: No requieren especificaciones. uede ser cualquier diodo I β om ommax

32 AMIFICADO CASE B: Simetría complementaria 3 TDA003-Ampli-de-15W-a-transistores.html

33 AMIFICADO CASE B - Simetría Cuasicomplementaria 33 Si se requiere potencias de varios vatios no se pueden usar pnp. A partir de un pnp de señal y un npn de potencia se fabrica un pnp compuesto I I I (1 + h ) I BN E CN fe C a tensión de saturación del pnp compuesto es mayor + Desventaja CEsat CEsat BE N Sí: i>0 Q1 en ON Q en OFF Sí: i<0 Q1 en OFF Q en ON

34 AMIFICADO CASE B - Simetría Cuasicomplementaria 34 + BE BE Desventaja El capacitor fuente C F cumple dos funciones: 1.proporciona la polarización de colector al pnp compuesto durante el semiciclo negativo.impide que la componente de cd circule por la carga. 3.Forma con un filtro pasa alto El amplificador diseñado posee una ganancia de 1, por lo tanto la máxima señal de entrada será igual a la máxima tensión de salida deseada.

35 AMIFICADO CASE B - Simetría Cuasiomplementaria OmMAX ara que el amplificador trabaje en clase B: Om max I ɵ Om max. Iɵ Om max 35

36 AMIFICADO CASE B: Simetría Cuasicomplementaria 36 OTENCIA DE ENTADA 1 IDC Om π OTENCIA DE SAIDA OTENCIA DE DISIADA O D Om Om 1 Om π DMAX 1 π otencia que debe poder disipar el amplificador. rincipalmente, en los transistores

37 a ed Zobel 37 a red de Zobel es una red compuesta por una resistencia y un condensador en paralelo con el altavoz diseñada para compensar el efecto inductivo de éste. El esquema es: 1: representa la resistencia del altavoz. Suele ser 8Ω 1. representa la inductancia del altavoz alores típicos son: 10Ω; C 100 nf

38 EJEMO : Clase B Simetría Cuasicomplementaria 38 roblema:diseñe un amplificador de potencia, clase B, simetría cuasi-complementaria capaz de entregar una potencia de salida sin distorsión de 15 W sobre una carga de 4Ω. 1) Cálculo de la fuente de alimentación. rimero se calculará la tensión de continua de la fuente así como la corriente que debe entregar la misma. adopto ommax ommax cc 10,95 om 0 cc 4 I I adopto I ommax DC DC I 1A ommax π ommax 10,95 4 0,87A,74A

39 EJEMO : Clase B Simetría Cuasicomplementaria 39 4 a 3.6kΩ C1 Q3 s 1 pk 1kHz 0 1.0uF C3 1.kΩ 1kΩ Q5 BC548B BC548B Q4 Q1 TI31A C 47mF 4Ω 1.0uF b 4.kΩ BC558B Q TI31A

40 EJEMO : Clase B Simetría Cuasicomplementaria 40 Q, Q 1 ) Cálculo de los transistores I CMAX CEMAX dmax ommax 4 4π 3A 3,64W Q 3, Q 4 I CMAX CEMAX dmax I ommax hfe 4 I π C 75mA 0,18W ara el desarrollo del circuito elijo los siguientes transistores. Q1 y Q TI31 Q3 y Q4 BC548, BC558

41 EJEMO : Clase B Simetría Cuasicomplementaria 41 3)Cálculo de la polarización. Ω Ω > ,003 10, ,6 0,6 1 10,8 1, 1 ) ( B A C B B B A BE BE A ma I A hfe I I I I µ Ω Ω , Adopto BE AB AB

42 EJEMO : Clase B Simetría Cuasicomplementaria 4 3)Cálculo del capacitor de salida. CF CF 1 τ CF f 16 CF Adopto f C F CF 1,5mF 0Hz El amplificador diseñado posee una ganancia de 1, por lo tanto la máxima señal de entrada será igual a la máxima tensión de salida deseada. inmax 11()

43 AMIFICADO CASE B: Simetría Cuasicomplementaria 43

44 AMIFICADO CASE B: Simetría Cuasicomplementaria 44

45 AMIFICADO CASE B: Simetría Cuasicomplementaria 45

46 AMIFICADO CASE B: Integrado Simetría Cuasicomplementaria 46 Amplio rango de tensión de alimentación Baja disipación de potencia en vacío Ganancia de tensión fijada en 50 veces o 34 db Capacidad para soportar altas corrientes de pico Entrada referenciada a GND Alta impedancia de entrada Baja distorsión a tensión de salida en estado de vacío es un medio de la alimentación Encapsulado tipo DI 14

47 47 AMIFICADO CASE B: Integrado Simetría Cuasicomplementaria

48 EJEMO: Integrado Simetría Cuasicomplementaria 48