AMPLIFICADORES DE POTENCIA

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

SEGUIDORES DE EMISOR

Es un seguidore emisor es unamplificadorclase A

Impedancia desalida baja

Impedancia de entrada muy

grande

Ganancia de voltaje casi

unitariaresistencia grande

La ganancia en voltaje y la corriente de dc del transistor Q1 se ven

afectadas por los valores de la resistencia de carga

la excursión del V pico a pico es menor que Vcc.

Amplificadores clase A

El tipo de amplificador clase A mas sencillo es el que se muestra en la figura 14.6(a). Esta configuración carece de estabilidad en su dolarización

(es decir la resistenciade emisor RE)

y no es adecuada para amplificadores

de potencia.

Características de transferencia

El voltaje de entrada esta relacionado con la corriente de colector Icmediante

Utilizando ic de la ecuación (14.12),

el voltaje de salida es

Por tanto, la caracteristicade transferencia

(vo en funcion de vI),que se muestra en la figura 14.7, no es lineal.

Potencia de salida y eficiencia

La potencia promedio de cd requerida de la fuente de alimentación está dada por

donde VCE, de manera ideal, se extiende en todo su rango. Utilizando lasecuaciones (14.17) y (14.18), la ecuación (14.15) se expresa como

donde Vp e Ip son los valores pico del voltaje y la corriente de salida de ca,respectivamente. Utilizando los valores mínimo y máximo de las señales de

salida, Vp e Ip se pueden expresar como

que da la potencia maxima de carga PL(max) cuando VCE(min) = 0, IC(min) = 0, VCE(max) = VCC e IC(max) = 2IC. Por tanto, la ecuación (14.19) da PL(max)

como

La eficincia de conversión, definida como la relacion de potencia de la carga

respecto a la potencia de la fuente de alimentación se expresa como

Sustituyendo las ecuaciones (14.14) y (14.19) en la (14.21), se obtienela eficiencia maxima como

misma que, para VCE(min) = 0, IC(min) = 0, VCE(max) = VCC, IC(max) = 2IC ,se convierte en

La carga promedio (o potencia de salida), está dada por

Es por esto que, bajo condiciones ideales, la eficiencia máxima de un amplificador de clase A es de 25%. A pesar de que en la practica la eficiencia real es inferior a 25%, este porcentaje se usa como guía para determinar

los requerimientos de dolarización IC. Por ejemplo, si VCC = 30V y PL(max) = 50W, entonces,

Con frecuencia, la calidad de un amplificador se mide utilizando la cifra de merito Fm,

misma que se define como

La disipación máxima del colector esta dada por

Al sustituir las ecuaciones (14.20) y (14.25) en la (14.24), se obtiene

por lo que la distancia de potencia del colector es de dos veces la pitencia maxima de salida. Por ello, para una salida maxima de 50W, el colector debe ser capaz de disipar por lo menos 100W.

Este requerimiento es el incoveniente principal de los amplificadores de clase A,ya que para entrar los transistores se necesita usar un disipador grande y costoso.

Amplificadores de emisor común

Debido a su elevada ganancia en voltaje, las etapas de emisor común se usan como excitadores de la etapa de salida en el diseño

de circuitos integrados. En la figura 14.8(a) se muestra una etapa de emisor común. La fuente de corriente formada por Q2 y Q3 establece la corriente de referencia

IR, misma que esta dada por

Sin carga, . RL = Por tanto, la corriente de carga ioes

donde la corriente del colector iC1 esta relacionada

con el voltaje de entrada vI mediante

Amplificadores clase AB complementarios en contrafase

Estos transistores funcionan en la región activa cuando el voltaje de entrada v1 es pequeño. Los transistores se polarizan de tal forma que cada uno de ellos conduce una pequeña corriente de polarización cuando V1=

0 V.

Circuito de polarización Se aplica un voltaje de polarización entre las bases de .Para v1 =0

aparece un voltaje a través de la unión base-emisor de cada transistor. Escogiendo

= se asegura q ambos transistores queden al borde de la conducción esto es v0 =0 y v1=0.Un pequeño voltaje de entrada positivo v1 hará entonces que conduzca igual un pequeño voltaje de entrada negativo hará q conduzca.

Característica de transferencia Para un v0 positivo fluye una corriente por esto es:

Cualquier incremento en causa un

incremento correspondiente en por encima de3l valor de polarización de . Dado que debe conservarse constante, el incremento en causa un decremento igual en

y por tanto en . Entonces

El circuito funciona en modo clase AB ya que ambos transistores se mantienen activados y operan en la región activa.

Implementación con diodos. En este caso usamos diodos para que la temperatura no se eleve demasiado. Los diodos deben colocarse cercana de los transistores de salida de manera que su temperatura aumente en la misma cantidad que ... Por tanto en los dos circuitos discretos, los diodos se montaran sobre la parte metálica de o de

. Dado que las resistencias R1 y R2 proporcionan la corriente de polarización para los

transistores y también asegura que los diodos conduzcan, para garantizar la corriente de polarización de base para .

Salida de un amplificador clase AB

Características de transferencia Implementación con diodo

Polarización con diodos y con una fuente activa de corriente

Circuito En los circuitos integrados en vez de diodos, se utilizan transistores con el colector en cortocircuito. Si y

deben manejar grandes cantidades de potencia, su geometría también debe ser grande No obstante, los diodos pueden ser dispositivos mas pequeños, de manera que

Don de n es la relación del área de la unión del emisor de y respecto al área de la unión de D1 YD2 . Esto es , la corriente de saturación de y

puede ser n veces la correspondiente a los diodos de polarización.

Características de transferencia El voltaje entre las bases de y es igual a la caída de voltaje a través de los dos diodos. Esto es

= 0.7+0.7=1.4

El voltaje base a emisor de esta dado por:

=1.4-

Por tanto las uniones base-emisor de

y estarán siempre en polarización directa

En los circuitos en vez de una resistencia discreta es normal usar una fuente activa de corriente

Circuito Características de transferencia

Este circuito puede ajustar automáticamente el voltaje de polarización

Características y funcionamiento El circuito esta formado por un transistor Q1 con un resistor R1 conectado entre su base y emisor , y un resistor de retroalimentación

conectado entre el colector y la base . La fuente de corriente alimenta al circuito multiplicador y proporciona la corriente de base para . Dado que el voltaje a través de R1 es , la corriente pro R1 es:

En comparación con la corriente de base Q1 es despreciable y la

corriente por es aproximadamente igual a .Por lo tanto el voltaje de polarización se convierte en

= )

Por lo que el circuito se multiplica por el factor (1+ ) de

ahí el nombre de multiplicador de

Polarización con un multiplicador

Polarización de un amplificador clase AB con un multiplicador de .

Amplificadores clase AB cuasicomplementarios en contrafase

Debido a que los transistores pnp tienen una capacidad limitada de corriente, la etapa de salida complementaria solo es adecuada para entregar una potencia de carga de unos cuantos cientos de miliwatts o menos. Si se requiere una potencia de salida de varios watts deberá utilizarse transistores npn.

Etapa de salida de clase AB cuasicomplementaria Partiendo de un transistor pnp y de un transistor npn de alta potencia . se puede fabricar un transistor pnp compuesto. Esta configuración se la conoce como etapa de salida cuasicomplementaria.

Transistor pnp equivalente El par formado por y es equivalente a un transistor pnp . La corriente de colector de esta dada por :

La corriente decompuerta del colector es la corriente del emisor de

.Esto es :

Que tiene la misma relación que un transistor pnp normal. El voltaje de saturación pnp compuesto será

+ que es mayor que el

de un transistor pnp normal.

PMOS El transistor pnp compuesto puede ser remplazado por una combinación MOS- bipolar[4], que se conoce como PMOS compuesto. La característica de transferencia total del PMOS compuesto esta dada por:

= ²

Por tanto, el PMOS compuesto tiene una relación w/l que es

veces más grande que la correspondiente a un dispositivo PMOS normal.

Etapa de salida del clase AB

cuasicomplementario

Transistor pnp equivalente PMOS equivalente

Amplificadores clase AB en contrafase acoplados por

transformador

En este circuito se polariza ligeramente hacia la conducción , de manera que por

y fluya una corriente de polarización . Esta corriente se obtiene

haciendo que sea un poco mayor que

= =(= =0.7v). Se puede seleccionar resistores R1 y R2 para obtener el valor deseado de .Si bien los amplificadores acoplados por transformador ofrecen una elevada eficiencia en potencia, sufren de no linealidades y de distorsión introducidas por las características no lineales de los transformadores.

El amplificador tiene tres etapas: una etapa de emisor común parta ganancia en voltaje, un seguidor de emisor para acoplamiento de impedancia y una etapa de salida para una salida de alta potencia. La retroalimentación en serie-paralelo le da al amplificador las características deseables de una baja impedancia de salida y una elevada impedancia de entrada. La ganancia total en voltaje depende en gran parte de la red de

retroalimentación por lo que:

= =1+

Amplificador clase AB en contrafase acoplado por

transformador

Amplificador clase AB acoplado por transformador con

retroalimentación en serie-paralelo

El circuito utilizado en la figura 14.29 para la protección contra cortocircuito está formado por el transistor Q1 y el resistor'RE1 Si ocurre un cortocircuito en Ia carga mientras QN esta conduciendo" fluirá una corriente grande por REl, desarrollando un voltaje VRE1 proporcional a la corriente de cortocircuito a través de RE1.

PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO Y PROTECCIÓN TÉRMICA EN UN AMPLIFICADOR CLASE AB

protección térmica en un amplificador clase AB

Protección contra corto circuito

Esta formado por dos transistores (Q2 y Q3), tres resistores (R1 R2 y R3) y un diodo zener. Normalmente, el transistor Q2 está desactivado. Si la temperatura aumenta, VBE3 disminuye debido al coeficiente negativo de temperatura de Q3,

Cuando el voltaje VRE1 llega a ser lo suficienteeficientemente grande, el transistor Q1 se activa y lleva la mayor parte de la corriente d polarización IR1. Por tanto, la corriente de base de QN es reducida a un nivel seguro las caídas de voltaje a través de los resistores de emisor disminuirán el voltaje de salida en I misma cantidad, por tanto, los valores de RE1 y RE2 deben ser tan bajos como sea posible (del orden de los mΩ). Sus valores quedan determinados a partir de RRE1= RRE2= VBE1/io (med)

El voltaje zener Vz aumenta, por el coeficiente positivo temperatura del diodo zener Dz. Como resultado, el voltaje en el emisor de Q3 se eleva, el voltaje de la base de Q2 también aumenta. Si la elevación de temperatura es adecuada Q2 se activa y desvía la corriente de referencia IR del amplificador

Los transistores de una etapa de salida están protegidos contra las corrientes de excesivas de un cortocircuito

Estructura de un amplificador operacional de potencia

AMPLIFICADORES OPERACIONALES DE POTENCIA

Los amplificadores operacionales tienen algunas características deseables, como una ganancia de lazo abierto muy grande (>105)

Una impedancia de entrada muy alta (hasta de 109 ohm) y una corriente de polarización de entrada muy baja

Sin embargo

La potencia de salida de ca de los amplificadores operacionales por lo general es baja Se puede obtener una potencia grande de un amplificador de potencia formado por un amplificador operacional seguido por un separador clase AB

La estructura general de un amplificador operacional de potencia aparece

La etapa de separación consiste de los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4. R1 y R2 polarizan a los transistores Q1y Q2, de manera que -VBE1

+ VBE3 =0 y VBE2 - VBE4 = 0.

El transistor Q3 proporciona la corriente positiva de carga hasta que el voltaje a través de R3 es lo suficientemente grande para activar Q5, quien proporciona corriente adicional de carga. De manera similar, los transistores Q4 y Q6 suministran la corriente de carga negativa

La etapa formada por Q5 y Q6 alimenta la corriente adicional de carga y actúa como elevador de corriente. Para estabilizar la polarización, se utilizan los resistores de emisor RE1 y RE2.

En el mercado existe una gran variedad de amplificadores de potencia que combinan una pastilla convencional de amplificador

Amplificador operacional LH0021

Amplificador operacional de potencia LH0021

El amplificador LH0021 está diseñado para funcionar con una fuente de alimentación de ±25 V, que es capaz de proporcionar una excursión de voltaje de salida pico de aproximadamente 12 V a una carga de 10 fi en todo el rango de frecuencia, hasta 15 kHz

Etapa de ganancia Etapa diferencial

La distorsión del voltaje de salida es menor al 16%.el circuito puede dividirse en tres etapas:

Etapa de salida

La etapa de entrada diferencial está formada por los transistores Q1 a Q4 polarizados por Q7, que consumen las corrientes de base de Q3 y de Q4. Los transistores Q5 y Q6 constituyen una carga activa de espejo de corriente

La etapa de ganancia es una configuración de emisor común, y está formada por Q9 y Q10 conectados como par Darlington.



Etapa de ganancia


Etapa de salida





Etapa de ganancia


Etapa de salida Etapa diferencial



El transistor Q8 sirve como una fuente activa de corriente para esta etapa. El capacitor Cl es el capacitor de compensación para separar los polos, conectado en una retroalimentación en paralelo-paralelo



Etapa de ganancia


Etapa de salida

Está formada por los transistores Q13, Q14, Q15, Q16, Q17y Qi8-

Los diodos D3 y D4 proporcionan el voltaje de polarización para la operación de clase AB, a fin de minimizar la distorsión por cruce

Los transistores Q13 y Q14 actúan como elevador de corriente. Los resistores RC1 y RC2 limitan las corrientes a través de Q13 y Q14 respectivamente, activando a Q15 y Q16-El resistor R1 protege a Q17 y a Q18 limitando el flujo de corriente que pasa por ellos.

Se conecta un capacitor Cc pequeño para ofrecer una baja impedancia a una carga capacitiva. La combinación de R1 y el capacitor de carga no forman una red RC pasa bajos, y puede evitarse cualquier retraso de fase en el voltaje de salida.

Amplificador operacional LM380

Amplificador operacional LM380

El amplificador LM380 está diseñado para funcionar con una sola fuente de alimentación, en un rango de 12-22 V. La potencia de salida puede ser tan alta como 5 W con una carga de 10 ohm La distorsión del voltaje de salida es menor al 3%. El circuito puede dividirse en tres etapas con el fin de mejorar la respuesta de frecuencia baja podemos utilizar un capacitor interno Cx para desviar la fuente de corriente estas etapas son

Entrada diferencial Ganancia Salida del circuito

Está formada por los transistores pnp Q3 a Q6. El transistor Q3 está polarizado por Q10, en tanto que el transistor Q4 está polarizado a través de R2 por una corriente de cd que proviene de la terminal de salida

Bajo condiciones de pola-rización (esto es, con un voltaje de entrada), las corrientes de polarización de Q3 y Q4 son iguales. Por tanto, la corriente y el voltaje a través de R1 son cero.

Formada por Q12, tiene una configuración de emisor común. El transistor Qu sirve como carga activa de fuente de corriente para la etapa de ganancia.

El capacitor C es el capacitor de compensación para separar los polos, y su función es dar un ancho de banda amplio.

Está formada por los transistores Q8, Q9 y Q'9. Los diodos D1 y D2 proporcionan el voltaje de polarización para la operación de clase AB.

Los resistores de emisor R6 y R-, dan estabilidad a la polarización.

Amplificador de puente

AMPLIFICADOR DE PUENTE

La potencia de salida se puede duplicar utilizando dos amplificadores operacionales de potencia

Esta configuración, que se conoce como amplificador de puente, se emplea en aplicaciones de alta potencia

El voltaje de entrada v¡ se aplica tanto en la entrada no inversora de los amplificadores, como en la entrada inversora, de manera que los voltajes de salida están desfasados 180°

Por tanto la salida del amplificador no inversor es

|

El voltaje de salida del amplificador inversor es

El voltaje a través de la carga se convierte en

Donde Af es la ganancia en voltaje de lazo cerrado de cada uno de los amplificadores

CONDICIONES TÉRMICAS

Los transistores de potencia disipan grandes cantidades de potencia. La disipación de potencia se convierte en calor, que provoca el aumento de temperatura de la unión del colector

La estructura física, el encapsulado y las especificaciones de los transistores difieren de acuerdo con su capacidad de manejo de corriente y su disipación de potencia.

La corriente nominal de los transistores de potencia puede llegar hasta los 500 A, con una disipación de potencia hasta de 200 W

Los transistores de potencia deben estar protegidos contra un aumento excesivo de la temperatura

La temperatura de la unión Tj debe mantenerse dentro de un máximo especificado Tj (máx) en el rango de 150° a 200 °C.

CURVA DE REDUCCIÓN DE POTENCIAL NOMINAL

RESISTENCIA TÉRMICA

La resistencia térmica es una medida de la transferencia de calor. Ésta es la caída de temperatura dividida entre la disipación de potencia, en condiciones de estado estable. Por tanto, sus unidades son °C/W. La resistencia térmica 0JA del flujo de calor, desde la unión hasta el ambiente, está dada por

JA=TJ-TA/PD(en°C/W) Donde Tj=temperatura de la unión en°C Donde TA=temperatura ambiente en°C

Esta ecuación representa el proceso de transferencia de calor, y es análoga ala ley de ohm

La disipación de potencia corresponde a la corriente; la diferencia de temperatura, a la diferencia de voltaje y la resistencia térmica, a la resistencia eléctrica

El calor se transfiere del dispositivo al aire por uno de estos tres métodos

1.Conducción desde la unión hasta el encapsulado a través de una resistencia térmica jc y del encapsulado al disipador de calor a través de una resistencia térmica CS

2.Convección desde el encapsulado hasta el ambiente a través de una resistencia térmica CA, y del disipador de calor al ambiente a través de una resistencia térmica SA.

3.Radiación de aletas de enfriamiento hasta el aire la transferencia depende de la capacidad de emisión de calor de la superficie así como la diferencia de temperatura en las aletas radiantes

La temperatura ambiente TA y la temperatura del encapsulado Tc están relacionadas con la disipación de potencia pD mediante

Disipación de potencia en función de la temperatura

Tc-TA=PD (CS+SA)


















2.Convección desde el encapsulado hasta el ambiente a través de una resistencia térmica CA, y del disipador de calor al ambiente a través de una resistencia térmica SA.

La temperatura ambiente TA y la temperatura del encapsulado Tc están relacionadas con la disipación de potencia pD mediante

Tc-TA=PD (CS+SA)






1. Conducción desde la unión hasta el encapsulado a través de una resistencia térmica jc y del encapsulado al disipador de calor a través de una resistencia térmica CS



DISEÑO DE AMPLIFICADORES DE POTENCIA

Dado que los amplificadores clase B y clase AB eliminan la zona muerta, generalmente se utilizan como las etapas de salida de los amplificadores reales.

Por tanto el diseño de un amplificador de potencia consiste en etapas de salida que involucra los siguientes pasos

1. Identificar las especificaciones de la etapa de salida (por ejemplo, la potencia de salida PL LA resistencia de carga RL y los voltajes de alimentación de cd Vcc y VEE).

2. Seleccionar el tipo de operación de salida; por lo general, operación clase B o clase AB.

3. Determinar los valores nominales de voltaje y de corriente de todos los transistores.

4. Determinar los valores nominales y la potencia de todos los resistores. También, si se trata de una carga acoplada por transformador, determinar la relación de vueltas de los transformadores.

5. Seleccionar el tipo de circuito de polarización de cd. Determinar las especificaciones de los componentes activos y pasivos.

6.Seleccionar los transistores de potencia que cumplan con los requerimientos de voltaje, corriente y potencia. Determinar su temperatura máxima de unión Tj(máx) y las resistencias térmicas Jc y CS.

7. Determinar la disipación de potencia de los transistores y la resistencia térmica de-seada del disipador de calor.

8. Utilizar PSpice/SPICE para simular y verificar el diseño, utilizando los valores estándar de los componentes junto con sus tolerancias.

En general, el amplificador de potencia forma la etapa de salida de un amplificador de audiofrecuencia. Los requerimientos de los amplificadores de potencia son distintos de los requerimientos de los amplificadores de baja potencia de señal pequeña. Los amplificadores de potencia deben entregar una cantidad apreciable de potencia a una carga de baja impedancia, generando al mismo tiempo muy poca distorsión en la señal de salida. Generalmente, los amplificadores de potencia se clasifican en cuatro tipos: clase A, clase B, clase AB y clase C. La eficiencia de un amplificador clase A es de sólo 25%; la de uno de clase B, de 50%, y la de uno de clase AB en contrafase, de 78.5%. Los amplificadores clase AB complementarios en contrafase eliminan o reducen la distorsión y la zona muerta en la señal de salida.

CONCLUSIONES: • Estudiado este capitulo aprendimos los tipo de amplificadores de potencia, los cuales son 4, el amplificador de clase A, de clase B, de clase AB, y de clase C.

• Aprendimos a utilizar la etapa de salida en los transistores de potencia utilizando una fuente activa de corriente.

• Gracias a la ayuda de la página Web dada en clase aprendimos a subir archivos de texto al blog de la página mencionada.

BIBLIOGRAFIA: • MUHAMMAD H.RASHID; Circuitos Micro Electrónicos; Quinta Edición; Editorial Thompson; Capitulo 14; Paginas: 723-764.

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