Ampli cadores de Potencia, Conceptos básicos

Transcripción

1 Ampl cadores de otenca, onceptos báscos 1 J.. Hurcan Abstract Los ampl cadores de potenca son conertdores que transforman la energía de la fuente en señal de potenca de salda. Estos pueden ser tpo clase A, AB, B y. Los cuales tenen dstntos parámetros de e cenca y uso. ndex Terms ower Ampl ers.. ntroducton Un ampl cador de potenca conerte la potenca de una fuente de corrente contnua (olarzacón de un crcuto con transtores) a potenca de salda en forma de señal, lo cual es controlado usando una señal de entrada. S sobre la carga se desarrolla una gran cantdad de potenca, el dsposto deberá manejar una gran excursón en oltaje y corrente. Los puntos de operacón deben estar en un área permtda de oltaje y corrente que asegure la máxma dspacón, (SOA, Safe Operatng Area). Se deben consderar los oltajes de ruptura y efectos térmcos permtdos en los dspostos de estado sóldo, las característcas no lneales en el funconamento y usar los parámetros para gran señal del dsposto. La cura de la Fg. 1 muestra las caracterstcas de emsor y colector de un transstor delmtada por el SOA, que está de ndo por la EMAX. [1]. AB, la polarzacón del ampl cador es de tal forma que la corrente de colector solamente uye para un lapso menor a los 36 o y mayor a los 18 o de la onda correspondente. ara el funconamento en clase B, la corrente urá solo durante 18 o de la onda de entrada. Fnalmente, para funconamento en clase, el dsposto conducrá durante un perodo nferor a los 18 o correspondente a la onda de entrada. La Fg., muestra el comportamento del dsposto en las dstntas clases. BE lase A lase B lase AB lase π π π π π π onduccón > π onduccón < π Max SOA Fg.. omportamento para clase A, AB, B,. Los ampl cadores tpo AB y B usan con guracones transstorzadas llamadas push-pull. ada uno de estos ampl cadores posee característcas de e cenca y dstorsón dstntos, por lo cual, sus aplcacón será a dstntas áreas. Fg. 1. Area Segura de Operacón del Transstor. B E La corrente y el oltaje E no podrán sobrepasar los máxmos ndcados.. lasfcacón de los amplfcadores de potenca Exsten cuatro clas cacones báscas de ampl cadores de potenca: A, AB, B y. En clase A, el ampl cador está polarzado de tal forma que la corrente por el colector uye durante el cclo completo de la señal de entrada. ara clase Documento preprarado en el DE, Unersdad de la Frontera 4.. Relacones báscas en los amplfcadores de potenca ara analzar los ampl cadores de potenca se requere de certas cantdades y relacones asocadas a su funconamento y desempeño. omo el ampl cador de pontenca conerte la potenca de de la fuente de almentacón en una señal de potenca en la carga, la e cenca de este proceso está dada por L(A) (1) Donde es la e cenca, L(A), es la potenca meda de señal en la carga y, la potenca meda de salda en la fuente de almentacón. La potenca meda dspada en el dsposto de ampl- cacón, consderando un transstor bpolar como dsposto de potenca, será E L ()

2 Donde E es la dspacón meda de colector, L es la potenca total, es decr, L() más L(A) en la carga. ara la ealuacón de las dstntas cantdades de potenca, se usa la relacón básca dada por (3), donde p es la potenca nstantánea, e son el oltaje y la corrente nstantáneos. p (3) Sean e formas de onda perodca, con componente contnua (la cual puede ser cero) y una componente de corrente alterna, no necesaramente snusodal dc ac (4) dc ac (5) Luego la potenca meda en un perodo será 1 Z p d!t dc dc 1 Z " " A ac ac d!t (6) Donde, es la contrbucón de la componente contnua y A es la contrbucón de la componente alterna a la potenca meda. S las componentes de corrente alterna son tpo snusodal, se tene ac m cos!t (7) ac m cos!t (8) Reemplazando en la ecuacón (6), se tene dc dc 1 Z dc dc m m [( m cos!t) ( m cos!t)] d!t Z cos!t d!t dc dc m m dc dc m m omo p p ; entonces (9) armónco de la señal. ara el caso de una señal snusodal con componente contnua será q rms D rms. El amplfcador lase A En operacón clase A, el ampl cador reproduce toda la señal de entrada, la corrente de colector es dstnta de cero todo el tempo, lo cual se consdera muy ne cente, ya que para señal cero en la entrada, se tene un >, luego el transstor dspa potenca. A. Ampl cador Emsor común Sea la con guracón de emsor común de la Fg. 3, la cual funcona en clase A. or smplccdad se hace la resstenca de emsor R E. Se seleccona para máxma potenca de salda, lo que mplca que la recta de carga de A debe pasar por la cura EMAX. Fg. 3. R B (a) Emsor omún. En la Fg. 4, se muestra las rectas de carga para dos puntos del ampl cador, las cuales se ntersectan con la cura E. Se obsera que será la máxma corrente permtda para y E1 será el máxmo oltaje permtdo para E, para el transstor en cuestón. El óptmo elegdo será el punto de reposo, debdo a que 1 <, lo cual mplca una dsmnusón en la corrente de colector, lo que trae consgo una dsmnusón en la dstorsón y una menor corrente de base requerda para obtener 1. (b) dc dc m m p p dc dc rms rms (1) 1 uando la señal de corrente peródca tene componente contnua se expresa el alor rms de la forma de onda como rms q D 1 rms rms ::: n rms (11) Fg. 4. Dstntos puntos. E E 1 E Donde D, es la componente contnua de la señal, 1rms es el prmer armónco de la señal, nrms es el n ésmo ara que la realzacón sea factble, E1 debe ser menor que EO, así se tomará que E1. Lo cual puede

3 AMLFADORES DE OTENA, ONETOS BÁSOS 3 no ser necesaramente efecto para otras con guracones en clase A. ara alores arbtraros Max y EMax, el punto estará dado por la tangente a la cura EMax, dado por las coordenadas Max y E EMax como se ndca en la Fg. 5. Se asume que la señal de entrada puede manejar el transstor entre el corte y la saturacón, de esta forma para una aracón en la corrente de base, se tene la aracón en la corrente de colector, y una aracón en la potenca. Note que la recta de carga de A tene la msma pendente que la recta de carga de. Max Max E p E Max Fg. 7. uras de, E y p. E E Luego de acuerdo a (11), consderando que la corrente tene componente contnua y alterna, se tene Fg. 5. unto. para máxma excusón smétrca. Trazando la onda de corrente, como se ndca en la Fg. 6,se obtene la onda del E. Note que la excursón será smétrca. Max L s 4 max p 3 5 R L max (13) 8 De la cura se determna, entonces Max EMax E E L (14) 4 8 L() " " L(A) or otro lado, la potenca promedo entregada por la fuente será Fg. 6. Excursón de la corrente y el oltaje. La Fg. 7, muestra las formas de onda a traés del tempo, E, p, E y L. La onda de potenca nstantánea de la fuente p, estará dada por el producto y tene la msma forma que. E c E. Note que la forma de onda de E tene una frecuenca el doble de las otras formas de onda. (15) omo la potenca dspada en el transstor debe ser la potenca de la fuente menos la potenca en la carga (total, es decr la A y la ), se tene que A.1 Determnacón de la E cenca La potenca en la carga será L rms (1) E L Fnalmente, la e cenca estará dada por 8 (16)

4 4 8 :5 (17) La e cenca de este ampl cador es baja, 5%, esto debdo prncpalmente a que se mantene una corrente de reposo en la carga, la cual no es usada (desperdcada). Max B. on guracón emsor común con transformador de acoplo Sea el crcuto de la Fg. 8a. Una forma de mejorar la e cenca del ampl cador clase A es usar el acoplo de la carga medante un transformador. ómo es eso? Fg. 1. E Rectas de carga de y A. E N s N s L Max p R L (19) Debdo a que E, se tene que EMax, por lo tanto, de la cura se determna que Max, así (a) Fg. 8. (a) Ampl cador acoplado por transformador. (b) Equalente. ara y A se obtenen los crcutos equalentes de la Fg.9. E E (b) E E L L(A) RL () Dado que la potenca meda de la fuente es, entonces Max EMax Fnalmente, la e cenca de la conersón será L(A) :5 Fnalmente, la potenca dspada por el transstor será (1) () Fg. 9. (a) Equalentes de y A (b) E L Al consderar el acoplamento la recta de carga en pasa por E, pues R, luego la recta de carga de A corta el eje del oltaje en un alor. omo consecuenca de esto, cuando no hay señal, no exstrá corrente por el colector. B.1 Determnacón de la E cenca La potenca en la carga será L rms (18) omo sólo la carga recbe componente alterna, la corrente efecta será la ampltud sobre p ; luego Note que solo exste L LA. Example 1: Sea el ampl cador clase A de la Fg.8, sabendo que a la carga se le entrega una potenca de [W ] :onsdere la realcón de transformacón n:1. alcular: La potenca de la fuente para que el transstor trabaje en clase A: Dado que el rendmento es el 5%, se tene :5 L(A) [W ] 4 [W ]

5 AMLFADORES DE OTENA, ONETOS BÁSOS 5 omo L(A) RL [W ], entonces 1[] 1 [] : Además, como L p R L ; R 1 n:1 [W ] p 1 [] : [A]. Ampl cador con resstenca de emsor Una aracón del ampl cador es consderar R E 6 : ara este caso se tene el crcuto de la Fg. 11. R R E E Fg. 13. Ampl cador con R E y E. La maxma excursón se dará cuando cuando R 1 N s E R A Luego reemplazando en la recta de carga de, se tene 1 [ ] E R 1 [] L E ; así se obtene R R E Fg. 11. Ampl cador con R E : ara esta stuacón se tene que la recta de no es del todo n nta dado el alor de R E como se ndca en la Fg. 1. La recta de A será léemente mod cada. Sn embargo, el rendmento permanece gual. Max E Recta de carga de Recta de carga de A E E 1 [ ] 1 [ ] 8:88 [ ] 1 1 1[] [ ] 1 [ ] 1 [] RL 1:11 [A] 8 [] 1 [] ara el cálculo de las potencas se tene L(A) rmsr L p RL R L 4:93 [W ] 1 [ ] 1:11 [A] 11:11 [W ] La potenca dspada por el transstor será E 6:5 [W ]. El amplfcador lase B En esta operacón, se usa un transstor para ampl car el cclo posto de la señal de entrada, mentras un segundo dsposto se preocupa del cclo negato. La con guracón se conoce como push-pull. Fg. 1. Rectas de carga ampl cador clase A mod cado. Example : Sea el ampl cador de la Fg.13, determne la potenca en la carga, la potenca entregada por la fuente y la potenca dspada por el transstor. onsdere la relacón de transformacón n : 1, R E 1 [] ; 8 [] : ara, se tene 1 N s ara A, 1 [ ] [] E E E E ( ) E E Fg. 14. Ampl cador clase B. Se requeren dos transstores para producr la onda completa. ada transstor se polarza en al punto de corte en lugar del punto medo del nteralo de operacón. S el oltaje de entrada es posto, de acuerdo a la conexón del transformador se tene que conduce y está en

6 6 corte. S el oltaje de entrada es negato no conduce y conduce. Esto permtrá obtener la onda de salda de acuerdo a la Fg.15. Max Esta cura corr esponde a un tr ansstor (1) Max 1 N s E (a) 1 N s Fg. 17. aracón en torno al punto de operacón 1 Max Fg. 15. (b) onduccón de los transstores. Max La corrente de colector es cero cuando la señal de entrada es cero, por lo tanto el transstor no dspa potenca en reposo. En, el E, y en A, la aracón de será solo posta, consderando que la recta de carga es E R E L R L ; de la cura se tene que, luego para, la recta corta en E, de acuerdo a la Fg.16. Fg. 18. Max uras de corrente. romedo Max Max : Así, la potenca total en la carga por cada transstor será Max L Max R L R L E Fg. 16. Rectas de arga A y del ampl cador clase B. 4 (3) Luego, la potenca total en la carga sumnstrada por ambos transstores Al consderar señal posta en la base, el E dsmnuye a partr de como se muestra en la Fg.17. De la cura dada en la Fg. 16, se obtene Max EMax Luego, la potenca en la carga será nueamente la ndcada en (1). En este caso, cada transstor opera durante un sem-cclo, por lo tanto, el alor efecto de la onda será L(A) (4) ara determnar la potenca entregada por la fuente, se requere determnar la corrente meda consumda, la cual se llamará. De acuerdo a la Fg. 18, la onda de corrente producda sera la superposcón de los dos semcclos aportados por la conduccón de los dos transstores.

7 AMLFADORES DE OTENA, ONETOS BÁSOS 7 1 Z Max Así se tene que Max Max sn (!t) d!t Z sn (!t) d!t Max o o Max RL Fg Funconamento del smetría complementara. :636 Fnalmente, se tene el redmento (5) :785 (6) 4 Lo que corresponde a un 78.5% de e cenca en la conersón. or otro lado, la potenca dspada por el colector será E A. Ampl cador de Smetría omplementara Sea el crcuto de la Fg. 19 que corresponde a un ampl cador de smetra complementara. La carga será de acoplamento drecto. Fg. 1. Ampl cador de smetría complementara con acoplamento capacto. 4 o L 8 E 4 - Fg. 19. Ampl cador de smetría complementara, con acoplamento drecto. uando la señal de entrada es posta, el oltaje en el emsor de es leemente menor que en la entrada, hacendo conducr este y dejando en corte. uando el oltaje de entrada es negato, conduce, quedando en corte, como se muestra en la Fg.. El crcuto de la Fg.1 será un ampl cador de smetría complementara con acoplamento capacto. ara este caso se tene que la almentacón de cada transstor es y la carga será. De esta forma a partr de las relacones del clase B pushpull, (4), (5) y (6), reeemplazando por y RL por, se puede determnar o Luego el rendmento será 8 4 :785 4 Example 3: Sea el ampl cador de smetría complementara que excta una carga de 1 [] : S los transstores tenen alores nomnales de 1A, 4 y 4W, determne el que produce la maxma potenca en la carga para entrada snusodal. 1Ω

8 8. El problema de la dstorsón El problema de la con guracón es que la onda de salda tene dstorsón debdo a que los transstores no empezan a conducr nmedatamente, dado que la señal en la base debe sobrepasar el umbral BE : El sem-cclo de la salda no es una snusode perfecta. o(t) References [1] uttler,. (197). Lnear Electroncs rcuts, McGraw-Hll. [] Saant, Roden, arpenter (1993). Dseño Electrónco. Addson- Wesley. [3] Rashd, M. (). rcutos Mcroelectróncos, Análss y Dseño. Thomson. [4] roc, M, Harter, J.(1987) Electroncs Deces, rcuts and Systemas, Englewood l s, N.J. : rentce-hall [5] Dede, E, Esp, J (1983) Dseño de rcutos y Sstemas Electróncos, Marcombo Fg.. Dstorsón de la onda de salda. ara el ampl cador de la Fg.3 se consdera que R 1 R entregan un oltaje en la base en torno a BEON. Lo cual permte la conduccón del transstor al nco de la onda de entrada. R 1 N s R 1 Fg. 3. Dsmnucón de la dstorsón. ara este caso, la conduccón de ambos transstores será mayor a 18 ; lo que hace que su funconamento sea llamado lase AB. BB R 1 R 1 R B BB BE R 1 jjr. El amplfcador lase AB Se dce que este ampl cador posee un comportamento en clase A y clase B []. En este ampl cador, el funconamento del dsposto de potenca es mayor a los 18 y menor a 36 : Sea el crcuto de la Fg. 3, se muestra una aracón propuesta en [], la cual susttuye el transformador en a entrada por dos señales proenentes de una etapa anteror, la cual asegura el desfaces de las ondas para la conduccón de uno u otro transstor.. onclusones Se han planteado algunos conceptos báscos de ampl - cadores de potenca. Las magntudes más mportantes a consderar son la e cenca, la potenca en la carga y la potenca dspada en el transstor.