CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE AMPLIFICADORES II

Transcripción

1 CLASIFICACIÓN DE LAS ETAAS DE SALIDA Las etapas de salida, también denominadas etapas de potencia, son configuraciones especiales localizadas a la salida de un amplificador utilizadas para proporcionar cierta cantidad de potencia a una carga con aceptables niveles de distorsión. Además, una etapa de salida debe ser independiente del propio valor de la carga, tener reducido consumo estático de potencia y no limitar la respuesta en frecuencia del amplificador completo. Las etapas de salida son diseñadas para trabajar con niveles de tensión y corriente elevados. Las aproximaciones y modelos de pequeña señal no son aplicables o deben ser utilizados con mucho cuidado. Sin embargo, la linealidad de una etapa es una medida que proporciona la calidad del diseño, muchas veces caracterizada a través de la distorsión armónica total (total harmonic distortion o THD). Este parámetro es un valor eficaz o rms de las componentes armónicas de la señal de salida, sin incluir la fundamental de la entrada, expresada a través del porcentaje en términos de rms respecto a la fundamental. Los equipos de sonido de alta fidelidad tienen un THD inferior a 0.1%. TDH n 100 Donde, 3, n se corresponden con el valor eficaz de los armónicos de la señal de salida y la componente fundamental. La distorsión armónica se produce cuando la señal de salida de un sistema no equivale al 100% la señal de entrada. 1

2 Otro parámetro importante de una etapa de potencia es su rendimiento, que indica el porcentaje de potencia entregada a la carga respecto de la potencia total disipada por la etapa. Un valor alto de rendimiento se traduce en una mayor duración del tiempo de vida de las baterías o en el uso de fuentes de alimentación de bajo coste, además de minimizar los problemas de disipación de potencia y coste del propio transistor de potencia. Es por ello, que las etapas de salida utilizan transistores de potencia (> 1W) y el uso de aletas refrigeradoras resulta en algunos casos imprescindible. Las etapas de salida tradicionalmente son clasificadas de acuerdo a la forma de onda de la corriente de colector del transistor de salida en clase A, clase B, clase AB y clase C. En la etapa clase A (figura a), el transistor es polarizado con un corriente en continua de valor I CQ mayor que la corriente de alterna de amplitud Ic de forma que el periodo de conducción es de 360º. En contraste, en la clase B (figura b) la polarización DC es nula y sólo conduce en un semiperiodo de la señal de entrada (180º). Como se estudiará más tarde, existe otro transistor que estará activo en el siguiente semiperiodo alternando las fases.

3 La etapa clase AB figura c, intermedio entre la A y la B, el transistor conduce un ángulo ligeramente superior a 180º y mucho menor que 360º. En la etapa clase C d conduce ángulos inferiores a 180º y son empleadas usualmente en radiofrecuencia como por ejemplo teléfonos móviles y transmisores de radio y T. 3

4 Amplificador de Clase A (CLASS-A AMLIFIER) La corriente de salida circula durante todo el ciclo de la señal de entrada. La corriente de polarización del transistor de salida es alta y constante durante todo el proceso, independientemente de si hay o no hay salida de audio. La distorsión introducida es muy baja, pero el rendimiento también será bajo, estando siempre por debajo del 5%. La mayor desventaja de la anterior etapa de salida es el consumo estático de potencia incluso en ausencia de señal de entrada. En muchas aplicaciones prácticas existen largos tiempos muertos (standby) a la espera de señal de entrada o con señales intermitentes como es el caso de voz humana. Etapas de salida que desperdician potencia en períodos standby tiene efectos perniciosos importantes. En primer lugar, se reducen drásticamente el tiempo de duración de las baterías de los equipos electrónicos. En segundo lugar, ese consumo de potencia continuado provoca un incremento de temperatura en los dispositivos que limitan su tiempo medio de vida dando lugar a una mayor probabilidad de fallar con el tiempo el sistema electrónico. 4

5 OTENCIA DE SALIDA OUT Si medimos la tensión de salida con un voltimetro obtendremos un tensión en valor eficaz OUT_rms OUT _ rms La potencia de salida será: out RL Si medimos con un osciloscopio la tensión de salida pico a pico, out _ pico pico podemos expresar la potencia de salida como out 8 R orque out _ pico _ pico OUT _ rms OUT _ pico _ pico OUT _ rms or lo tanto la máxima potencia de salida generada por el amplificador se calcular considerando a la máxima excursión de salida pico a pico out _ pico pico siendo este valor la máxima excursión de salida pico a pico. L out _ máxima out _ pico pico 8 R L OTENCIA DISIADA OR EL TRANSISTOR DQ Cuando no se aplica señal al circuito el transistor esta polarizado en I CQ, CEQ, por lo tanto estará disipando una potencia. DQ CEQ I CQ OTENCIA SUMINISTRADA OR LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DC DC CC I DC Donde I DC es la suma de I polarización + I CQ I I + I DC polarización CQ Siendo I polarización la corriente que absorbe el divisor de tensión R 1 y R, despreciando la intensidad que absorbe la base del transistor. I polarización CC R 1 + R RENDIMIENTO DEL AMLIFICADOR η OUT DC 100 5

6 AMLIFICADOR CLASE B (CLASS-B AMLIFIER) La corriente de salida sólo circula, aproximadamente, durante medio ciclo de la señal de entrada. Durante el otro medio ciclo, la señal no es amplificada. Se produce a la salida un cambio alternativo de positivo, hay señal; a negativo, no hay señal. Además, no circula corriente a través de los transistores de salida cuando no hay señal. La distorsión introducida por tanto, es muy elevada, aunque el rendimiento mejora notablemente respecto a la clase A, aunque siempre será inferior al 80%. En esta configuración de amplificadores, el transistor en su punto Q de polarización esta en corte I C 0 La etapa de salida clase B tiene consumo estático de potencia en modo standby prácticamente cero. Utiliza dos transistores, uno NN y otro N, en contrafase que conducen alternativamente en función de si la señal de entrada es positiva o negativa. De ahí, el nombre de push-pull. Otra ventaja adicional es su mejor rendimiento que puede alcanzar un valor máximo próximo al 78% muy superior al 5% de la etapa de salida clase A. 6

7 CONFIGURACIÓN USH-ULL CROSSOER DISTORTION Cuando la tensión en la base de los transistores es 0 voltios no conducen, ya que se debe alcanzar una tensión base emisor BE 0,7 o superar el valor umbral de 0,6 voltios, para que un transistor conduzca. or lo tanto hay un periodo de tiempo, en las transiciones de señal de entrada de semiciclo positivo a negativo y viceversa, en que ninguno de los transistores conduce. Esto produce una distorsión de la señal de entrada llamada crossover distortion 7

8 AMLIFICADORES CLASE AB ara solucionar el problema anterior crossover distortion, se utiliza una configuración ush_ull en el que se ajusta la polarización para que los transistores conduzcan incluso sin presencia de señal, esto se consigue con un divisor de tensión y dos diodos. R kΩ Q3 BD137 D1 1N4001G 3 1 1kHz 0Deg R1 1kΩ D 1N4001G Q4 BD138 R3 330kΩ 1 Es una mejora de la clase B para evitar la distorsión excesiva. Su rendimiento es mejor que el de la clase A, pero inferior a la B. AMLIFICADOR DE CLASE C (CLASS-C AMLIFIER) La corriente de salida solo circula durante menos de medio ciclo de la señal de entrada. La clase C trabaja para una banda de frecuencias estrecha y resulta muy apropiado en equipos de radiofrecuencia. Estos amplificadores son circuitos sintonizados, en el que poseen un circuito resonante LC. 8

9 La ganancia del amplificador es máxima para la frecuencia de resonancia fr. Este tipo de amplificadores se utiliza cuando interesa amplificar una banda estrecha de frecuencias, como ocurre en T y radio. 9