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78
Amplificadores de Audio Potencia Clasificación de los Amplificadores de Audio Potencia Clase A Clase B Clase AB Clase D 1

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Amplificadores de Audio Potencia

Clasificación de los Amplificadores de

Audio Potencia

• Clase A

• Clase B

• Clase AB

• Clase D

1

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador de potencia clase A

2

La corriente que fluye porla carga es igual a 360ºcon respecto a la señalde entrada.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador de potencia clase B

3

La corriente que fluye porla carga es durante 180º,es decir, solo un semiciclo dela señal de entrada.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador de potencia clase AB

4

La corriente que fluye porla carga es mayor que y menor que 2 .

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador de potencia clase C

5

La corriente que fluye porla carga es menor a 180º de la señal de entrada.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador clase D.

6

Este amplificador tiene la particularidad de funcionar entre la región de corte y saturación. Con este proceso se puede generar más rendimiento en el transistor y una mejora en la potencia entregada a la carga.Se puede trabajar sobre la hipérbola máxima de disipación, si la velocidad de conmutación es la adecuada.

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•Amplificador clase A con carga RL

ICQRC

C

RL

RE

RB

ii

+ VCC

VBB

7

tII

I

MAXCi

i

además

,sinosoidal señal una es

cos

Amplificadores de Audio Potencia

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Amplificadores de Audio Potencia

•Análisis en CC y CA del amplificador clase A.

ICQRC

C

RL

RE

RB

ii

+ VCC

VBB

8

CEECCCC

VRRIV

CC en carga de Recta

CEELCCCC

VRRRIV //

CA en carga de Recta

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Amplificadores de Audio Potencia• Potencia alterna disipada en la carga RL (PL).

9

100fuente la entrega que continua Potencia

carga laen disipada alterna Potencia

:por dado esta orendimient El

2 pero max2 C

efLrmsLefL

IIRIRIP

AC

LC

L

LC

L

RI

P

RI

P

AC

AC

2

2

2

max

2

max

Potencia promedio debido a

la corriente alterna disipada

en la carga.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Gráfico de señales en un amplificador.

10

Figura 19.6 Oscilación

de la

corriente

IC de

salida

Señal de

Entrada

Vi

Oscilación de la

señal de salida

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Amplificadores de Audio Potencia

•Recta de carga de un amplificador clase A.

2

IC

ICQ

2•ICQ

VCC VCC VCE

Q

hipérbola de máxima disipación de potencia

11

punto del depende

de máximo El

máxima. sea

cuando máxima será

Q

I

I

P

CM

CM

LAC

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Amplificadores de Audio Potencia

•Recta de carga de un amplificador clase A.

2

IC

ICQ

2•ICQ

VCC VCC VCE

Q

12

LCQ

L

CQC

RI

P

II

AC

2

2

max

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Amplificadores de Audio Potencia

•Recta de carga de un amplificador clase A.

2

IC

ICQ

2•ICQ

VCC VCC VCE

Q

13

EL

CCCQ

EL

CCCCCQ

EL

CEQCCCQ

CEQELCQCC

RR

VI

RR

VVI

RR

VVI

VRRIV

2

2

2

CCCEQ

VV

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Amplificadores de Audio Potencia

•Recta de carga de un amplificador clase A.

L

CC

L

EL

EL

LCC

L

R

VP

RR

RR

RVP

AC

AC

8

8

2

2

2

max

max

si

2

IC

ICQ

2•ICQ

VCC VCC VCE

Q

14

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Práctica con PROTEUS

• Amplificador de potencia clase A

Diseñar un Amplificador de Potencia clase A y simularlo en Proteus

RL = 8Ω

PL = 2 watts

VCC = 15 (v)

15

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Amplificadores de Audio Potencia

• Potencia disipada por la fuente (Pcc).

16

Para Mss

EL

CCCQ

RR

VI

2

EL

CCCC

EL

CCCCCC

RR

VP

RR

VVP

2

22

L

CCCC

EL

R

VP

RR

2

2

Si

PCC = VCCICQEsta potencia es constante e independiente

de la señal de entrada.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Pot. promedio total disipada en el transistor (Pc).

17

ELCCC PPPP

ELE

ELL

C

CC

RRP

RRP

P

P

y en disipada DC Potencia

y en disipadaCA Potencia

r transistoelpor disipada Potencia

fuente lapor disipada Potencia

22

CMELCQELCCC IRRIRRPP

Pot. en CC Pot. en AC

Pc representa la

disipación interna

del transistor y

la especifica el

fabricante.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Pot. promedio total disipada en el transistor (Pc).

18

2

CQELCCC IRRPPMAX

L

CCC

EL

EL

CCC

R

VP

RR

RR

VP

MAX

MAX

4

4

2

2

Si

0 terminaleldecir Es

aplicada. entrada de señalhay

no cuando produce Se

CM

C

I

PMAX

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Amplificadores de Audio Potencia

• Eficiencia ( ) en un amplificador (rendimiento).

19

100CC

L

P

PAC 2

22

2

2

CC

LCM

V

RI

L

CC

LCM

EL

R

V

RI

RR

2

2

Si

2

2

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Amplificadores de Audio Potencia

• Eficiencia ( ) en un amplificador (rendimiento).

20

MaxMAXAC

MAXACAC

CCL

LCC

LCC

LL

PP

RV

RV

PP

25,0

%254

1

2

8

cuando ocurre eficiencia máxima La

2

2

AMPLIFICADOR COMPLETAMENTEINÚTIL: SOLO PARA TRABAJAR EN BAJA POTENCIA, ES DECIR MENOR A 1 WATT.

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Amplificadores de Audio Potencia• Figura de mérito (es una relación entre la potencia disipada

por el transistor, respecto a la potencia disipada en la carga).

• Significa que para disipar 1 watt en la carga, el transistor debería disipar 2 watts (el doble).

21

LCC

LCC

L

C

RV

RV

P

P

MAXAC

MAX

8

42

2

MAXACMAX LC PP 2

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador de potencia clase A con carga inductiva.

22

- Con RL una gran cantidad de potencia se disipa en ella

a causa de ICQ

- Esto da como resultado un = 0.25 como máx.

- Reemplazando RL por una gran inductancia (choke),

veremos que el rendimiento ( ) aumenta.

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amplificador de pot. clase A con carga inductiva.

23

LfX

RR

L

EL

Si

2

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Amplificadores de Audio Potencia

• Recta de carga de un amplificador con carga inductiva.

24

CEQCE

L

CQC VVR

II 1

M.S.S. para

sintercepto los Para

L

CCCQ

CCCEQ

L

CEQ

CQ

R

VI

VV

R

VI

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Amplificadores de Audio Potencia

• Recta de carga de un amplificador con carga inductiva.

25

Figura 20.2

CCCE

CCCE

LCQCEQCE

CEC

VV

VV

RIVV

VI

MAX

MAX

MAX

MAX

2

2

0

M.S.S. Para

ACen (R.C.) carga de recta

Cuando

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Amplificadores de Audio Potencia

Cálculo de potencia.Potencia transferida a la carga

26

tsenII

II

tsenII

CQC

CQCM

CMC

M.S.S. Para

L

CCCCCC

CQCCCC

R

VVP

IVP

fuente lapor entregada Potencia

L

CCL

L

L

CCL

LCQ

L

LCM

L

LefL

R

VP

RR

VP

RI

P

RI

P

RIP

MAX

MAX

2

2

2

2

2

2

2

2

2

M.S.S. Para

Amp. clase A con carga inductiva

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Amplificadores de Audio Potencia

• Potencia disipada en el transistor (Pc).

27

Amplificador. clase A con carga inductiva

L

CCC

LLCC

L

CCC

L

CCC

CM

R

VP

RRV

R

VP

R

VP

I

MIN

MIN

2

2

0

2

22

2

cuando

obtiene se potencia máxima La

2

22

LCM

L

CCC

LCCC

ELCCC

RI

R

VP

PPP

PPPP

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Amplificadores de Audio Potencia

•Rendimiento ( ).•Figura de mérito

(se mantiene).

28

%5050

IIcuandomáximaseráη 2

2

2

CQCM2

22

2

.

V

RI

IV

RI

P

P

CC

LCM

CQCC

LCM

CC

L

2

MAX

MAX

L

C

P

P

Amp. clase A con carga inductiva

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Amplificadores de Audio Potencia

• Ejercicio propuesto.

29

Para el ejercicio obtener máxima transferencia de potencia

a la carga (PLMAX) calcular además N y VCC.

Amp. clase A con carga inductiva

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Amplificadores de Audio Potencia

•Amp. clase A acoplado por transformador

RL

+

-

V1

V2

+

-

N : 1I1

I2

30

voltajedeelevador 1 N Si

voltajedereductor 1 N Si

Representación eléctrica del transformador.

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Amplificadores de Audio Potencia

•Amp. clase A acoplado por transformador.

RL

+

-

V1

V2

+

-

N : 1I1

I2

31

2

1

21

21

1I

NI

VNV

2en

LL

L

i

i

i

i

RNR

RNI

V

IN

VN

I

V

2

2

2

2

1

1

N es la relación de vueltas de la bobina.

Figura 21.1

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Amplificadores de Audio Potencia

• Amp. clase A acoplado por transformador.

32

Circuito básico de amp. acoplado por transformador

2

LL RNR RL'

AC

RE

+VCC

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Amplificadores de Audio Potencia

•Amp. clase A acoplado por Transformador

RL'

AC

RE

+VCC

33

Este es el circuito equivalente

que ve la corriente alterna en

su paso por el amplificador.

Comportamiento en AC.

Las ecuaciones de potencias vistas

anteriormente para un amp. con carga

inductiva se cumplen de igual manera

para este amplificador. Se reemplaza

RL por R’L

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Amplificadores de Audio Potencia

• Ejercicio propuesto.

34

Determinar el M.S.S. y la máxima potencia disipada

en la carga, dibujar la hipérbola y la recta de carga

en alterna. Calcular Icq, Vceq, Vcc, PLmax y otros.

Amp. clase A acoplado por transformador.

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Amplificador clase B push-pull

Circuito básico de un amplificador clase B push-pull

T1

1:1

Q2

Q1

VCC

T2

N:1

RLIi

35

Figura 22.1

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Amplificador clase B push-pull

• Gráfico de ondas presentes en el amplificador

36

Figura 22.2a Figura 22.2b

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Amplificador clase B push-pull

• Indique como se evita la distorsión de cruce por cero

• Dibuje la solución

37

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Amplificador clase B push-pull

• Determinación de la recta de carga

38Este es el circuito que recorre, un solo semiciclo de la señal.

Figura 22.3

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Amplificador clase B push-pull

•Determinación de la recta de carga•IC

=

Recta decarga en A.C.

Recta decarga en D.C.

iCVCE

- 1

RL'

VCEVCC

Máxima señal de salidaen "un" transistor

39

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Amplificador clase B push-pull

• Determinación de la recta de carga

40

Figura 22.5

La corriente que entrega la fuente

es pulsante, puesto que no existe

IIN no circula corriente en el

colector, y la corriente que se ve

en este punto es idéntica en la

forma de onda de la señal de entrada.

Figura 22.4

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• Cálculos de potencia

41

tsenII imi Sea

CCCMCC

CCCM

T

T CCCCCC

VIP

VIdttItIT

VP

2

2

1

fuente lapor dasuministra Potencia

2

2

21

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Amplificador clase B push-pull

• Cálculos de potenciaPOTENCIA ENTREGADA POR LA FUENTE

42

L

CCCC

CC

L

CCCC

CCCMCC

CMCC

R

VP

VR

VP

VIP

IP

MAX

MAX

MAXMAX

MAX

22

2

2

máximo sea cuando obtiene se El

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Amplificador clase B push-pull

• Potencia transferida a la carga (PL)

43

LCmL

LCmLCmLLmL

RIP

RIRNIRIP

2

2222

2

1

2

1

2

1

2

1

L

CCL

R

VP

MAX

2

2

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Amplificador clase B push-pull

• Potencia disipada en el colector

44

(1) 2

22

2

2

CmLCMCCC

LCCC

IRIVP

PPP

L

CCC

R

VP

MAX

2

1.0

(1)en (2)

(2) L

CCCm

CmLCC

Cm

C

R

VI

IRVI

P

2

022

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Amplificador clase B push-pull

• Rendimiento ( )

45

L

CC

CM

CMCC

CML

CC

L

RV

I

IV

IR

P

P

4

22

1

2

%5.78

785.04

MAX

MAX

L

CC

CMMAXR

VI

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Amplificador clase B push-pull

• Figura de mérito

46

MAXMAX

MAX

MAX

LC

L

CC

L

CC

L

C

PP

R

V

R

V

P

P

5

1

2

2

22

2

2

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TABLA RESUMEN(con RL>RE)

47

78,5 %B o AB

50 %A

(INDUCTIVO)

25 %A

(resistivo)

Figura de mérito

RENDIMIENTO

POTENCIA DISIPADA EN EL

TRANSISTOR

PD

POTENCIA SUMINISTRADAPOR LA FUENTE

PCC

POTENCIA DISIPADA EN

LA CARGA

PL

CLASE

L

CC

R

V

8

2

L

CC

R

V

2

2

L

CC

R

V

2

2

L

CC

R

V

2

2

L

CC

R

V2

L

CC

R

V

22

L

CC

R

V

4

2

L

CC

R

V2

L

CC

R

V

2

1.0

MAXACMAX LC PP 2

MAXACMAX LC PP 2

MAXMAX LC PP 5

1

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Otros amplificadores de potencia

•Amplificador clase B simétrico complementario.

Vi

RL

VCC1

VCC2

VL

-

+

+

-

T1

T2

48

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Otros amplificadores de potenciaAmplificador en contrafase de simetría complementaria con Transistores

Darlington.

R1

ViC1

RE

RE

VCC1

VCC2

VOR

C

R2

49

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Otros amplificadores de potencia

Amplificador en contrafase cuasicomplementario.

50

Figura 23.3

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Otros amplificadores de potencia

Amplificador en

contrafase

cuasicomplementario

con corrección de

distorsión de cruce

por cero.

51

Figura 23.4a

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Otros amplificadores de potencia

Amplificador en

contrafase

cuasicomplementario

con corrección de

distorsión de cruce

por cero.

52

Figura 23.4b

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Analogía térmica de un transistor de potencia.

ambiente) al disip. (delcalor dedisipador del térmicaResist.θ R

) disip. al oencapsulad (del oaislamient del térmicaResist.θ R

o)encapsulad alunión la (der transistodel térmicaResist.θ R

ambiente) alunión la (de total térmicaResist.θ R

SASA -th

CSCS -th

JCJC -th

JAJA -th

DISIPADORES DE CALOR

53

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Analogía térmica a eléctrica

Figura 23.6

2154

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DISIPADORES DE CALOR

Analogía térmica de un transistor de potencia.

55

SACSJC

AJD

DJCCJ

AJADJ

SACSJCJA

TTP

PTT

TPT

WCaR

a

s

c

j

TMCjcº

Ambiente

Disipador

Carcasa

Juntura

cálcular. debe se

.fabricante el entrega lo y de valor El

SA

JCJA

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Problema resuelto

•Un Transistor de potencia se opera con un disipador de calor (SA=1,25ºC/W) . El Transistor, con una potencia de nominal de 150 W (25 ºC), tiene JC=0,5ºC/W y el aislamiento de montaje tiene CS=0,6ºC/W. ¿Qué potencia máxima se puede disipar si la temperatura ambiente es de 40ºC y TJmáx=200ºC

•Calcule el área de disipación

•SOLUCIÓN:

56

WWCWCWC

CCTTP

SACSJC

Aj

D08,68

/º25,1/º6,0/º5,0

º40º200

•La disipación es de 68,08 W, que no supera la potencia nominal

del transistor.

•El área de disipación se puede encontrar en el gráfico de la

transparencia siguiente y sería de 235 cm2 , para aluminio

normal o no ennegrecido de 1,5 mm de espesor

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Disipadores de calor – Cálculo de Áreadel Disipador (heatsink)

ºC/W

0

1.1

1.2

1.3

1.4

SA

50 100 150 200 250 300

Area (cm2) one side

1 mm blackened Aluminium

1.5 mm unblackened Aluminium

1 mm unblackened Aluminium1,385

1,12

235 cm2

1,255

57

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Disipación de Calor

58

En las especificaciones técnicas provistas por los fabricantes de

semiconductores, uno de los datos que se provee es la máxima

disipación posible, para que no se destruya el componente.

Encapsulado

TO-3

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Descripción

Donde

Siendo la temperatura de la juntura:

La resistencia térmica total es:

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Encapsulado TO-220

60

En general se puede decir

que:

JC Está determinada por

el fabricante y es dato que

aparece en los manuales.

CH Determinada por el

tamaño y calidad de las

áreas de contacto, entre la

carcaza y el disipador, el

uso de materiales

intermedios y la presión de

contacto.

HA Determinada por el diseño del disipador, i.e. material y forma. La selección de un

disipador es un compromiso entre la mayor seguridad de funcionamiento del

semiconductor y el costo del disipador.

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Ejemplo de ConstrucciónDISIPADOR de extrusión de Aluminio anodizado negro

Modelo Dimensiones A mm

(pulgadas)

Dimensiones B mm

(pulgadas)

Rth (°C/W)

6660B 152.40 (6.000)

127.00 (5.000)

0.4

6690B 228.60 (9.000)

203.20 (8.000)

0.2

61

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Disipadores de calor

RESISTENCIA TÉRMICA

Gráfico de

disipación

de calor

en un disipador de

aluminio.

(oC/Watt v/s área).

62AREA

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Ejemplos

63

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Problemas Resueltos

65

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1. a. Calcule la potencia alterna aplicada a un parlante de 8 ohm para el circuito de la figura. La polarización del circuito ocasiona una corriente de base DC de 6 mA y la señal de entrada (Vi) da como resultado una excursión peak de la corriente de 4 mAb. Calcule la potencia entregada por la fuente (PCC)c. La potencia disipada por el transistor (PC)d. La eficiencia del circuito ()

RL

N = 3

R1

R2 RE CE

VCC = 10v

14

12

10

8

4

2

6 = IB

IC (mA)

VCE (v)

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14

12

10

8

4

2

R. de C. DC

6 = IB

255

25

18,31,7

279

140

20

IC (mA)

VCE (v)

10

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Para DC se considera RE pequeño, por lo tantoVCC = ICQ RE + VCEQ VCC = VCEQa. Cuando IB = 6mA el punto Q es VCEQ = 10v; ICQ = 140 mA.La resistencia observada en el primario es R’L = N2 RL = 32 8 = 72 ohm

la pendiente = 1/72IC = VCE / R’L = 10 / 72 = 139 mA (este valor debiera ser aproximadamente el doble del IC en el punto Q, es decir, 280 mA)

ICQ + IC 140 mA + 139 mA = 279 mA

Del gráfico se saca VCE min = 1,7 v VCE max = 18,3 v IC min = 25 mA IC max = 255 mA

VCE rms = (VCE max VCE min) / 2 IC rms = (IC max IC min) / 2 Reemplazando valores

PL rms = PCE rms IC rms = 0,477 watt

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b. PCC = VCC ICQ = 10v 140 mA = 1, 4 watt

c. PC = PCC PL = 1,4 0,477 = 0,92 watt

d. = PL ac / PCC * 100 = 34,1 % < 50 % ideal, debido a que la incursión peak máxima, es menor a VCC

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2. Para un amplificador clase B que proporciona unaseñal peak de 20 (v) a una carga de 16 ohm y unafuente de alimentación VCC = 30 v, determine lapotencia de la fuente (PCC), la potencia en la carga(PL) y la eficiencia del circuito ().

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SOLUCIÓN:

Una señal peak de 20 v a través de una carga de 16 ohm ofrece una corriente de carga peak

ILpeak = VL peak / RL = 20/16 =1,25 A.

El valor del consumo de corriente continua de la fuente de alimentación será

IDC = 2/ IL peak = 2/ 1,25 = 0,796 A

PCC = VCC * IDC = 30*0,796 =23,9 watty PL (ac) = V2

L peak / 2RL = 202 / 2 * 16 = 12,5 watt

= PL (ac) / PCC (dc) *100 = 12,5 / 23,9 * 100 = 52,3% < 78,5% ideal, dado que la incursión ideal máxima es VCC = 30 v, pero solo se está incursionando con 20v, por lo tanto el rendimiento cae de 78,5% (ideal) a 52,3% (real)

TAREA:Demostrar que si la señal de entrada es de 30 v peak:•PCC máx = 35,81 watt•PLmáx = 28,125 watt• max = 78,5 %•PCmax = 5,7 watt

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3. SOLUCIÓN PARA EVITAR LA DISTORSIÓN DE CRUCE EN LOS AMPLIFICADORES CLASE B

T1

T2

VCC

RL

R1

VCC

R2

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4. Para el circuito de la figura, calcule la potencia manejada por cada transistor de salida y la eficiencia del circuito para una entrada (Vi) de 12 Vrms

T1

T2

R1

R2

D

R3

Vi

C1

C2

VCC = 25v

VCC = 25v

RL = 4 ohm

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SOLUCIÓN:

Vi peak = 𝑉𝑖 ∗ 2= 16,97 v peak 17 vDado que esta configuración es de colector común, eso implica que la ganancia Av = 1, estosignifica que el valor Vi se replica en cada transistor cuando estos conduzcan. VL peak = 17 v PL ac = (VLpeak)

2 / 2 RL = 172 / 2 *4 = 36, 125 wattPL ac = 36, 125 watt La corriente peak de carga es IL peak = VL peak / RL = 17 / 4 =4,25 A y la corriente DC entregada por la fuente es Idc = 2 / * IL peak = 2 / *4,25 = 2,71 AI dc = 2,71 A PCC = VCC * I dc = 25 * 2,71 = 67,75 watt2*PC = PCC PLac = 67,75 36,125 = 31,625 watt cada transistor PC = 31,625 / 2 = 15,81 watt = PL / PCC *100 = 36,125 / 67,75 *100 = 53,3%

TAREA:Para el circuito anterior demostrar que la potencia máxima que entrega la fuente, PL max,Vi max y la potencia disipada por los transistores son:PCCmax = 99,47 wattPL max = 78,125 watt= 78,5%Para alcanzar esta máxima potencia VL peak = VCC = 25 v, 2PC = PCC PL = 21,3watt

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5. Calcular la eficiencia () y la disipación de potencia de cada transistor en la etapa de

salida complementaria de la figura, si Vcc = 12 v y RL = 50 ohm, VCE sat = 0,2 v

VBE = 0,72 v

T1

T2

VCC

VCC

Vi R

RL = 50 ohm

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SOLUCIÓN:

El voltaje peak de la carga es VL peak = VCC VCE sat = 12 0,2 = 11,8 v

La corriente peak en la carga es: IL peak = VL peak / RL = 11,8 / 50 = 0,236 A

• La potencia de la fuente PCC = 2 / * IL peak * Vcc = 2*0,236 *12 / = 1,8 watt

• La potencia en la carga PL = IL peak * V peak / 2 = 0,236 * 11,8 / 2 = 1,39 watt

= PL / PCC *100 = 1,39 / 1,8 *100 = 77,2%

La potencia que disipa cada transistor es:• PC = (PCC PL) / 2 = (1,8 1,39) / 2 = 206 mw

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6.

• DIBUJAR EL DIAGRAMA DE BLOQUE DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO POTENCIA EN CONFIGURACIÓN PUENTE (2 AMPLIFICADORES)

• DEMOSTRAR QUE LA POTENCIA EN LA CARGA ES 4 VECES LA POTENCIA DESARROLLADA POR UN AMPLIFICADOR

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Vinculaciones de apoyo

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“Teoría de circuitos”R. L. Boylestad

“Dispositivos ElectrónicosThomas Floyd

“Principios de electrónica”Malvino