Amplificador de Potencia Clase a Sintonizado
6
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 1 Resumen—En el presente laboratorio se realiza el diseño de un amplificador sintonizado clase A para una frecuencia de operación de 300KHz y una potencia en la carga de 150mW. Se presentan los resultados obtenidos en la teoría, simulación y práctica con el análisis adecuado de las mediciones con sus respectivos cálculos de error. Palabras clave—Amplificadores sintonizados, máxima transferencia de potencia, frecuencia, factor de calidad, ancho de banda, potencia, eficiencia. Abstract— In this laboratory was made to design a Class A amplifier tuned to a frequency of 300KHz operation and a load power of 150mW. We present the results obtained in the theory, simulation and practice with the proper analysis of the measurements with their error estimate. Key words—Tuned amplifiers, maximum power transfer, frequency, quality factor, bandwidth, power, efficiency. I. OBJETIVOS Diseñar y analizar amplificadores de potencia con circuitos sintonizados paralelos. Afianzar y relacionar los conocimientos teóricos, a través de la implementación del amplificador sintonizado clase A, con la práctica y la simulación. II. INTRODUCCIÓN Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente continua (Polarización VCC de un circuito con transistores), usando el control de una señal de entrada, a potencia de salida en forma de señal. Si sobre la carga se desarrolla una gran cantidad de potencia, el dispositivo deberá manejar una gran excursión en voltaje y corriente. Los puntos de operación deben estar en un área permitida de voltaje y corriente que asegure la máxima disipación, (SOA, Safe Operating Area). Se deben considerar los voltajes de ruptura y efectos térmicos permitidos en los dispositivos de estado sólido, considerar las características no lineales en el funcionamiento y usar los parámetros para gran señal del dispositivo [1]. III. AMPLIFICADOR CLASE A SINTONIZADO Son amplificadores que consumen corrientes continuas altas de su fuente de alimentación, independientemente de la existencia de señal en la entrada. Esta amplificación presenta el inconveniente de generar una fuerte y constante cantidad de calor que ha de ser disipada. Esto provoca un rendimiento muy reducido al perderse una parte importante de la energía que entra en él. Es frecuente en circuitos de audio y en equipos domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran calidad de sonido al ser muy lineal y con poca distorsión. Tiene una corriente de polarización en relación con la máxima corriente de salida que pueden entregar. Los amplificadores de clase A a menudo consisten en un solo transistor de salida conectado directamente un terminal a la fuente de alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay señal de entrada la corriente fluye directamente del positivo al negativo de la fuente de alimentación, consumiéndose potencia sin resultar útil [2]. La siguiente figura muestra una configuración de amplificador clase A, donde se emplea un circuito sintonizado paralelo o filtro de paso para asegurar una supresión adecuada de armónicos en la salida o simplemente por razones de adaptación de impedancias [3]. Fig. 1 Amplificador clase A sintonizado. L C CB CA R Vi VCC VBB Amplificador de Potencia Sintonizado Clase A Arnold Alejandro Cruz, Gerardo Andrés López, Anderson Fajardo Londoño, Juan Sebastián Ferrer {arnold.91, galogeing, anderskater15, jusefe11}@hotmail.com Universidad del Quindío
-
Upload
gerardo-lopez -
Category
Documents
-
view
622 -
download
4
Transcript of Amplificador de Potencia Clase a Sintonizado
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 1
Resumen—En el presente laboratorio se realiza el diseño de
un amplificador sintonizado clase A para una frecuencia de
operación de 300KHz y una potencia en la carga de 150mW.
Se presentan los resultados obtenidos en la teoría, simulación
y práctica con el análisis adecuado de las mediciones con sus
respectivos cálculos de error.
Palabras clave—Amplificadores sintonizados, máxima
transferencia de potencia, frecuencia, factor de calidad, ancho
de banda, potencia, eficiencia.
Abstract— In this laboratory was made to design a Class A
amplifier tuned to a frequency of 300KHz operation and a
load power of 150mW. We present the results obtained in the
theory, simulation and practice with the proper analysis of the
measurements with their error estimate.
Key words—Tuned amplifiers, maximum power transfer,
frequency, quality factor, bandwidth, power, efficiency.
I. OBJETIVOS
Diseñar y analizar amplificadores de potencia
con circuitos sintonizados paralelos.
Afianzar y relacionar los conocimientos
teóricos, a través de la implementación del
amplificador sintonizado clase A, con la
práctica y la simulación.
II. INTRODUCCIÓN
Un amplificador de potencia convierte la potencia
de una fuente de corriente continua (Polarización
VCC de un circuito con transistores), usando el
control de una señal de entrada, a potencia de salida
en forma de señal. Si sobre la carga se desarrolla
una gran cantidad de potencia, el dispositivo deberá
manejar una gran excursión en voltaje y corriente.
Los puntos de operación deben estar en un área
permitida de voltaje y corriente que asegure la
máxima disipación, (SOA, Safe Operating Area). Se
deben considerar los voltajes de ruptura y efectos
térmicos permitidos en los dispositivos de estado
sólido, considerar las características no lineales en
el funcionamiento y usar los parámetros para gran
señal del dispositivo [1].
III. AMPLIFICADOR CLASE A SINTONIZADO
Son amplificadores que consumen corrientes
continuas altas de su fuente de alimentación,
independientemente de la existencia de señal en la
entrada. Esta amplificación presenta el
inconveniente de generar una fuerte y constante
cantidad de calor que ha de ser disipada. Esto
provoca un rendimiento muy reducido al perderse
una parte importante de la energía que entra en él.
Es frecuente en circuitos de audio y en equipos
domésticos de gama alta, ya que proporcionan gran
calidad de sonido al ser muy lineal y con poca
distorsión.
Tiene una corriente de polarización en relación con
la máxima corriente de salida que pueden entregar.
Los amplificadores de clase A a menudo consisten
en un solo transistor de salida conectado
directamente un terminal a la fuente de
alimentación y el otro a la carga. Cuando no hay
señal de entrada la corriente fluye directamente del
positivo al negativo de la fuente de alimentación,
consumiéndose potencia sin resultar útil [2].
La siguiente figura muestra una configuración de
amplificador clase A, donde se emplea un circuito
sintonizado paralelo o filtro de paso para asegurar
una supresión adecuada de armónicos en la salida o
simplemente por razones de adaptación de
impedancias [3].
Fig. 1 Amplificador clase A sintonizado.
L C
CB
CA
RVi
VCC
VBB
Amplificador de Potencia Sintonizado Clase A Arnold Alejandro Cruz, Gerardo Andrés López, Anderson Fajardo Londoño, Juan Sebastián Ferrer
{arnold.91, galogeing, anderskater15, jusefe11}@hotmail.com
Universidad del Quindío
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 2
Las formas de onda de este amplificador son:
Fig. 2 Formas de onda amplificador clase A.
Su funcionamiento se lleva a cabo en la región
activa, comprendida entre la región de corte y la
región de saturación del dispositivo. El punto de
operación se fija en el medio de la recta de carga
dinámica [4].
Fig. 3 Recta de carga y punto Q en clase A.
La señal mantiene el transistor conduciendo durante
los 360° del ciclo y las corrientes y voltajes
presentes en el circuito de salida son una réplica de
las señales de entrada. Además se caracteriza por
presentar una corriente DC de colector, constante y
suficiente para mantener el transistor en todo
momento en la región activa [5].
IV. PROCEDIMIENTO
A. Diseño amplificador clase A sintonizado
Se lleva a cabo la realización del diseño del
amplificador clase A para que proporcione una
potencia de 150mW, se diseña el amplificador con
inductor de choque para efectos de lograr la mayor
eficiencia posible y de esta manera aproximarse
mucho mas a la potencia requerida. De igual
manera se realiza el diseño del filtro de paso a
través de un circuito RLC paralelo, para una
frecuencia de operación mayor a los 300KHz y un
factor de calidad mayor a 10.
En el siguiente diagrama se puede observar el
circuito diseñado:
Fig. 4 Amplificador clase A sintonizado.
La siguiente tabla enseña los datos teóricos
obtenidos:
Tabla 1.
Valores teóricos.
Símbolo Valor
Se realiza en el software de simulación Orcad la
simulación en el dominio del tiempo (Time Domain
- Transient), utilizándose una señal cuya frecuencia
coincide con la frecuencia de resonancia
especificada por la guía de laboratorio. Así mismo
para observar el comportamiento en la frecuencia se
realiza un barrido en frecuencia, haciéndose uso del
tipo de análisis AC Sweep/Noise suministrado por
RL100
L
16.6u
R2720
R1189.47 R3
10
Lrf
22m
0
Q1
Q2N2222
V3
6Vdc
C
16.97n
VCC VCC
0
CB
10uCA
10u
V4
FREQ = f oVAMPL = 1VOFF = 0
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 3
el simulador. A través del barrido en frecuencia se
encuentra la magnitud del voltaje de salida, el ancho
de banda, la frecuencia de resonancia y el factor de
calidad Q. Finalmente se ejecuta el montaje en el
espacio de laboratorio para realizar las medidas
necesarias que permitan la comparación entre
valores teóricos, simulados y prácticos, dando así
por concluido el análisis de un amplificador clase A
sintonizado.
V. RESULTADOS Y ANÁLISIS
A continuación se presenta los resultados obtenidos
a través de la herramienta de simulación, como
también los datos medidos mediante el osciloscopio
(tablas 2 y 3 respectivamente).
Tabla 2.
Valores simulados.
Símbolo Valor
Tabla 3.
Valores prácticos.
Símbolo Valor
A. Análisis Bias Point
El análisis Bias Point del simulador Orcad genera la
información acerca de los voltajes y corrientes que
presentan cada nodo y cada elemento del circuito en
cuestión. El siguiente esquema muestra los
resultados correspondientes al diseño del
amplificador:
Fig. 5 Análisis Bias Point.
De este análisis se utilizará la corriente de colector
(46.04mA) para la realización del cálculo de la
potencia suministrada por la fuente, tanto simulada
como práctica.
B. Análisis en el dominio del tiempo
El análisis transitorio proporciona el
comportamiento del circuito a lo largo del tiempo,
haciendo uso del tipo de análisis Time Domain
(Transient) del simulador, se obtiene la siguiente
forma de onda:
Fig. 6 Análisis en el dominio temporal.
A partir del análisis en el tiempo se puede realizar el
cálculo de la potencia suministrada por el
amplificador, se calcula el valor máximo de la señal
de salida a través de la opción Measurement Results
(con la función Max(1)) y se procede a determinar
la potencia con ese valor. Igualmente se calcula la
potencia suministrada por la fuente con la
utilización de la corriente de colector hallada en el
análisis Bias Point, junto con la presentación de la
eficiencia obtenida.
A continuación se presentan los cálculos obtenidos
de la teoría, simulación y práctica con sus
respectivos cálculos de error teórico-práctico:
Tabla 4.
Resultados análisis transitorio.
Símbolo Teórico Simulado Práctico Error
%
Se logra obtener una potencia relativamente cercana
a la especificada, logrando cierta satisfacción sobre
esta. Como es típico de este amplificador no se
logra obtener una muy buena eficiencia, aun así con
la utilización del inductor de choque, sin embargo
no deja de ser satisfactorios los resultados obtenidos
logrando de esta manera una buena práctica con
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 4
respecto al diseño de amplificadores que
suministren buena potencia.
C. Análisis en la frecuencia
El análisis en AC proporciona el comportamiento
del amplificador con respecto a la frecuencia según
el rango determinado. Haciendo uso de la
herramienta AC Sweep/Noise del simulador se
obtiene la siguiente gráfica:
Fig. 7 Análisis en la frecuencia.
A partir de este análisis se extrae los datos restantes;
frecuencia de resonancia, ancho de banda y factor
de calidad del circuito. Para hallar la frecuencia de
resonancia se hace uso de la herramienta Toggle
Cursor (del simulador) especificando el cursor
como máximo, igualmente se puede hacer uso de la
opción Measurement Results obteniendo el mismo
resultado. Para el cálculo del ancho de banda se
procede a utilizar la misma herramienta anterior, así
como también para el cálculo del factor de calidad
Q. Una vez realizado el procedimiento anterior se
presentan los siguientes resultados teóricos,
simulados y prácticos con sus respectivos cálculos
de error teórico-práctico:
Tabla 5.
Resultados análisis frecuencial.
Símbolo Teórico Simulado Práctico Error
Se logran resultados satisfactorios para los
parámetros medidos, considerando que los
elementos utilizados no son específicamente para
radiofrecuencia. Como consecuencia de este
percance no se logra diseñar el circuito para que
presente buena selectividad (Q > 10, como lo
especifica la guía de laboratorio), aun así se logra
hacer funcionar el circuito a una frecuencia de
resonancia próxima a los 300KHz.
VI. CONCLUSIONES
La utilización de circuitos RLC como filtros de paso
en amplificadores de potencia facilita el
establecimiento del ancho de banda y de la
frecuencia de operación del dispositivo, siendo de
esta manera, el establecimiento de estos parámetros,
independientes de la etapa de amplificación y
dependientes totalmente de los elementos utilizados
para la realización del diseño de la red de
sintonización.
Se concluye que la utilización de elementos pasivos
para la construcción de filtros de paso presenta una
fuerte aplicación en la construcción de
amplificadores sintonizados que requieran un
ancho de banda y una frecuencia de operación
específica. En donde no solo se emplean dichos
elementos para la creación de filtros, si no que
también presentan la cómoda característica de
permitir acoplar la impedancia de la carga con la
etapa de amplificación en aplicaciones que así lo
requieran.
Se concluye que características inherentes a los
dispositivos electrónicos como: las capacitancias
parásitas, resistencia interna de las fuentes de
energía, variaciones de beta con respecto a la
temperatura de los transistores, resistencia interna
de los inductores, elementos no propios para la
práctica con radiofrecuencia, entre otros fenómenos,
hacen que se presenten diferencias entre lo teórico y
lo práctico. Diferencias a veces considerablemente
significativas como para dudar de la veracidad de la
estrecha relación entre la teoría y la práctica, pero
que en definitiva todo se hace más comprensible
cuando se ejerce un uso adecuado y eficiente de las
herramientas disponibles.
Una vez más la utilización de las funciones
proporcionadas por la herramienta Measurement
Results del software de simulación Orcad facilita la
obtención de los resultados simulados, evitando la
molestia de utilizar el cursor (Toggle Cursor),
disminuyendo de esta manera el error generado al
hallar las frecuencias de corte que permitan calcular
el ancho de banda.
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 5
REFERENCIAS
[1]http://146.83.206.1/~jhuircan/PDF_CTOI/amppo
t10.pdf, pág. 1.
[2]http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_electr
%C3%B3nico
[3]Apuntes de clase.
[4]Apuntes de clase.
[5]Apuntes de clase.
ANEXOS
Fig. 5 Análisis Bias Point.
Fig. 6 Análisis en el dominio temporal.
Universidad del Quindío, Alfonso Cruz, López Orozco, Fajardo Londoño, Ferrer Bustos. Amplificador sintonizado. 6
Fig. 7 Análisis en la frecuencia.
