Amplificadores de Potencia

AMPLIFICADORES DE POTENCIA

Introducción: Definiciones y Tipos de Amplificadores

Un amplificador recibe una señal de algún transductor de captación o de cualquier otra fuente de entrada, y proporciona una versión más grande de la señal a cierto dispositivo de salida o a otra etapa de amplificación.

Transductor: Dispositivo capaz de transformar o convertir un determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida.

La señal del transductor es por lo general, pequeña (milivolts o incluso microvolts (antena), requiere amplificarse lo suficiente para poder operar un dispositivo de salida.


Un amplificador de voltaje ofrece amplificación de voltaje principalmente para incrementar el voltaje de la señal de entrada.

Las principales características de un amplificador de gran señal son la eficiencia de potencia del circuito,lal máxima cantidad de potencia que es capaz de manejar el circuito y el acoplamiento de impedancia con el dispositivo de salida.

Las clases de amplificador representan el grado con el que varía la señal de salida durante un ciclo de operación, para un ciclo completo de la señal de entrada.


Clase A: La señal de salida varía durante los 360º completos del ciclo. Requiere que el punto Q se polarice en un nivel en el que al menos la mitad de la excursión de la señal de la salida pueda variar hacia arriba y hacia abajo, sin llegar a un voltaje lo suficientemente grande como para ser limitado por el voltaje de alimentación, o demasiado bajo como para acercarse al nivel inferior de alimentación o 0V.


Clase B: Proporciona una señal que varía durante una mitad del ciclo de la señal de entrada, o por 180º de la señal. El punto de polarización de dc para la clase B es 0V, entonces la salida varía a partir de este punto de operación durante un medio ciclo. La salida no será una reproducción fiel de la entrada si sólo un medio ciclo está presente. Se requieren dos operaciones de clase B. Operación en contrafase. Señal muy distorsionada.


Clase AB: Polarizar un amplificador en un nivel de dc por encima del nivel de corriente base cero de la clase B y por encima de una mitad del nivel de voltaje de alimentación de la clase A. Polarización clase AB. Sigue requiriendo de una conexión en contrafase, para obtener un ciclo completo de la salida, sin embargo, el nivel de polarización de dc es, por lo general, más cercano al nivel de corriente de base cero, para una mejor efciiencia de potencia. La excursión e la señal de salida ocurre entre 180º y 360º.


Clase C: La salida se encuentra polarizada para operar en menos de 180º del ciclo y operará solamente con un circuito de sintonización (resonante), el cual proporciona un ciclo completo de operación para la frecuencia sintonizada o resonante. (Ejemplo: Radio o comunicaciones).

Clase D: Forma de operación de amplificación que utiliza señales de pulso (digitales), la cuales se encuentran encendidas durante un intervalo pequeño, y apagadas durante un intervalo mayor. Es posible obtener una señal que varía durante el ciclo completo (por medio de un circuito de muestreo y retención) para reconstruir la salida a partir de varios segmentos de la señal de entrada.


Eficiencia del amplificador: Eficiencia en potencia definidad como la relación de la potencia de salida sobre la potencia de entrada, mejora al ir de la clase A a la clase D.

Clase A: Emplea una buena cantidad de potencia para mantener la polarización, incluso cuando no existe una señal de entrada aplicada. (25% con una conexión de carga directa o con alimentación en serie, 50% con un conexión de transformador a la carga).

Clase B: Eficiencia máxima de 78.5% sin polarización en dc y sin señal de entrada.


Clase D: 90% de eficiencia, ofrece la operación más eficiente de todas las clases de operaicón

La clase C por lo general no se utiliza paras proporcionar grandes cantidades de potencia, por loq ue la eficiencia no se presenta aquí.

A AB B C D

Ciclo de

operación

3601

Eficiencia de

potencia

25% a

50%

Entre 25%

(50%) y 78.5%

78.5% 90%

Amplificador Clase Alimentado en Serie

La polarización de dc establecida por VCC y RB fija la corriente de base de polarización en:

Donde la corriente del

colector es:

Con el voltaje colector

-emisor en:

B

CCB R

VVI

7.0

BC II

CCCCCE RIVV


La intersección del valor de polarización de IB con la recta de carga de dc entonces determinará el punto de operación (punto Q) del circuito.

Si la corriente de polarización de dc del colector se establece en un medio de la posible excursión de la señal (entre 0 y Vcc/Rc), será factible una

mayor excursión de la corriente del colector.

Si el Vce se fija a la mitad del voltaje de alimentación, será posible una excursión mayor de voltaje.


Al aplicar una señal de entrada de ac al amplificador, la salida variará a partir de su voltaje y corriente de operación de polarización.

Un señal pequeña de entrada, ocasionará que la corriente de colector varíe por encima y por debajo del punto de polarización de dc, así como también el voltaje colector-emisor variará alrededor de su punto de polarización de dc.

Si la señal de entrada se hace más grande, variará más, alrededor del punto de polarización de dc establecido hasta que la corriente o el voltaje alcancen una condición limitante, (0 extremo inferior o Vcc/Rc en el extremo superior de su excursión. Vce (0V o Vcc).


Considetaciones de potencia

La potencia de un amplificador la suministra la fuente de alimentación. Cuando no existe una señal de entrada, el consumo de corriente de dc sera la corriente de polarización de colector IcQ. Entonces, la potencia que consume la fuente es:

QCCCi IVdcP


Considetaciones de potencia – Potencia de Salida

El voltaje y la corriente que varían alrededor del punto de polarización, proporcionan potencia de ac a la carga. Esta potencia de ac se aplica a la carga Rc.

La señal de ac Vi ocasiona que la corriente de base varíe alrededor de la corriente de polarización de dc y que la corriente de colector lo haga alrededor de su nivel de estabilidad ICQ.

Mientras mayor sea la entrada, mayor será la excursión de la salida, hasta el máximo establecido por el circuito.



Expresada mediante señales rms.



Expresada mediante señales pico:

c

co R

pIacP

2)(

2



Expresada mediante señales pico a pico:


Eficiencia: Representa la cantidad de potencia de ac aplicada

(transferida) desde la fuente de dc


Eficiencia Máxima: Se determina a través de las excursiones

máximas de voltaje y corriente.


Ejercicio: Calcule la potencia de salida y la eficiencia del circuito

amplificador en la figura, para un voltaje de entrada que ocasione

una corriente de base de 10 mA pico.


Desarrollo:


Desarrollo: La variación de ac de la señal de salida puede

obtenerse de forma gráfica

por medio de la recta de

carga de dc dibujada en la

Figura, mediante la conexión

De VCE = VCC = 20V con

IC = VCC/RC =1000mA = 1A.


Desarrollo:


Ejercicio: Calcule la potencia de entrada y de salida para el

circuito de la figura. La señal de entrada ocasiona una corriente de

base de 5mA rms. ¿Cuál es la potencia de salida máxima que

puede entregar el circuito de la figura si RB se cambia a 1.5 kΩ?

Amplificador Clase A acoplado por transformador

Cuenta con una eficiencia del 50%.

Emplea un transformador para acoplar la señal de salida con la carga.


Transformador: Puede aumentar o disminuir los niveles de corriente o de voltaje de acuerdo con la relación de vueltas. La impedancia conectada a un lado del transformador puede parecer mayor o menor (elevada o disminuida) en el otro lado del transformador, según el cuadrado de la relación de vueltas del embobinado del transformador. Suposición: Máxima transferencia de potencia (100%).


Transformación de Voltaje: El transformador puede elevar o disminuir el voltaje aplicado sobre un lado del transformador de forma directa según la relación de vueltas (o número de espiras) de cada lado.


Transformación de Corriente: La corriente en el devanado secundario es inversamente proporcional al número de vueltas en los devanados. La transformación de corriente está dada por:

Si el número de vueltas del alambre en el secundario es mayor que en el primario, la corriente del secundario será menor que la corriente en el primario.


Transformación de Impedancia: Es posible modificar la impedancia “observada” desde cualquier lado (primario o secundario). Se conecta una impedancia RL a través del secundario del transformador. Esta impedancia la modifica el transformador cuando se observa en el lado primario.


Transformación de Impedancia:

R`L: Impedancia reflejada -> Se relaciona directamente con el cuadrado de la relación de vueltas. Si el número de vueltas del secundario es menor que el del primario, la impedancia observada en el primario será mayor que en el secundario por el cuadrado de la relación de vueltas.


Operación de la etapa del amplificador

Recta de Carga de DC.

La resistencia del devanado del transformador (dc) determina la recta de carga de dc para el circuito. Por lo general esta resistencia de dc es pequeña (≈ 0Ω), luego una recta de carga de 0 Ω es una línea recta vertical.

No existe una caída de voltaje dc a través de la resistencia de carga de dc de 0 Ω, por lo que la recta de carga se traza de forma recta vertical a partir del punto de voltahe, VCEQ = VCC.


Punto de operación estable

De forma gráfica es el punto de intersección de la recta e carga de dc c on la corriente de base establecida por el circuito. La corriente estable del colector se puede entonces obtener a partir del punto de operación.

En la operación clase A, es necesario tenr presente que el punto de polarización de dc establece las condiciones para la excursión máxima sin distorsión de la señal, tanto para la corriente del colector como para el voltaje de colector emisor.


Recta de Carga de AC

Es necesario calcular la resistencia de carga de ac “observada” desde la parte del primario del transformador, para después dibujar la recta de carga de ac sobre la carcaterística del colector.

La resistencia de carga reflejada (R`L) se calcula empleando el valor de carga conectada a través del secundario (RL) y la relación de vueltas del transformador. La recta de carga debe cruzar el punto de operación con una pendiente -1/R`L.

La excursión de la señal de salida puede exceder el valor de Vcc.


Excursión de la señal y potencia AC de salida.



Los valores de las excursiones de la señal pico a pico son:

La potencia de ac generada a través del primario del

transformador se puede clacular entonces mediante:



La potencia de salida de ac puede también determinarse mediante

el voltaje aplicado a la carga.

Para el transformador ideal, el voltaje aplicado a la carga se

puede calcular por medio de:



La potencia a través de la carga se puede expresar como:

Se puede calcular la corriente de carga:


Ejercicio: Calcule la potencia de ac aplicada a la bocina de 8Ω ç

para el circuito de la figura. Los valores de los componentes del

circuito ocasionan una corriente de base de dc de 6 mA. Y la

señal de entrada (Vi) da como resultado una excursión pico de

la corriente de base de 4 mA.


Desarrollo:

Con IB = 6mA.

La resistencia de ac efectiva observada en el primario:


Desarrollo:


Desarrollo:

La recta de carga de ac se puede dibujar entonces con una pendiente de -1/72 a través del punto de operación utilizado. Para ayudar a dibujar la recta de carga, considere el siguiente procedimiento: Para una excursio de corriente de:

Marque un punto (A) a lo largo del eje y:


Desarrollo:

Conecte el punto A con el punto Q para obtener la recta de carga de ac. Para la excursión de la corriente de base dada de 4mA pico, la corriente de colector y el voltaje colector emisor, lo máximos y mínimos serán:


Desarrollo:

Y la potencia de ac aplicada a la carga se puede calcular entonces:

Amplificador Clase B

Operación se permite cuando la polarización de dc deja al transistor casi apagado, de manera que el transistor se enciende cuando se aplica la señal de ac.

Lo anterior representa una falta de polarización, con lo que el transistor conducirá corriente solamente para una mitad del ciclo de la señal.

Para obtener una salida para el ciclo completo de la señal, será necesario utilizar dos transistores y lograr que cada uno de ellos conduzca durante medios ciclos opuestos, y con la operaciñon combinada se obtiene un ciclo completo de la señal de salida.


El circuito se denomina circuito de contrafase push-pull.


Conexión del amplificador en contrafae con la carga. Mediante dos fuentes de voltaje y mediante una fuente de voltaje.

Amplificador Clase BPotencia de entrada (dc)

La potencia proporcionada a la carga por un amplificador se toma de la/s fuentes de alimentación, que proporciona la potencia de entrada de dc.

Idc: Corriente promedio o dc que se consume de las fuentes

de alimentación.

El consumo de corriente de una sola fuente de alimentación tiene la forma de una señal rectificada de onda completa, mientras que la extraída de dos fuentes de alimentación tiene la forma de una señal rectificada de media onda de cada fuente.

Amplificador Clase BPotencia de entrada (dc)

El valor del consumo promedio puede expresarse como:

I(p): Valor peak de la forma de onda de la corriente de salida.

Amplificador Clase BPotencia de salida (ac)

Si se utiliza un medidor de rms para medir el voltaje a través d ela carga, la potencia de salida se puede calcular como:

Si se utiliza un osciloscopio, se puede utilizar el voltaje de salida peak to peak o peak:

Amplificador Clase BEficiencia

La eficiencia del amplificador clase B puede calcular mediante:

Utilizando las ecuaciones anteriores:

Ya que:

Amplificador Clase BEficiencia

Mientras mayor sea el voltaje peak, mayor será la eficiencia del circuito, hasta llegar al valor máximo cuando VL(p) = VCC:

Amplificador Clase BPotencia disipada por los transistores de salida

La potencia disipada (en forma de calor) por los transistores de salida será la diferencia entre la potencia aplicada por las fuentes y la potencia salida aplicada a la carga.

P2Q: Potencia disipada por los dos transistores de potencia de salida.

La potencia disipada que maneja cada transistor será entonces:

Amplificador Clase BConsideraciones de PotenciaMáxima

Para la operación de clase B, la potencia máxima de salida se aplica a la carga cuando VL(p) = Vcc.

La corriente peak de ac correspondiente I(p) será entonces:


Por lo que el valor máximo de la corriente promedio de la fuente de alimentación es:

Mediante el empleo de esta corriente para calcular el valor máximo de la potencia de entrada el resultado es:


La eficiencia máxima del circuito para la operación clase B será entonces:

Cuando la señal de entrada ocasiona una excursión menor a la señal de salida máxima, la eficiencia del circuito será menor que 78,5%.


La eficiencia máxima de un amplificador clase B puede también expresarse de la siguiente forma:


Para la operación clase B, la potencia máxima disipada por los transistores de salida no ocurre en la condición máxima de potencia de entrada o de salida. La máxima potencia disipada por los dos transistores de salida ocurre cuando el votlaje de salida a través de la carga es:

Para una disipación de potencia máxima del transistor de:

Distorsión del Amplificador

Una señal sinusoidal pura posee una sola frecuencia a la cual el voltaje varía de forma positiva y negativa en la misma cantidad.

Cualquier señal que varía por menos del ciclo completo de 360º se considera que tiene distosión.

Un amplificador ideal es capaz de amplificar la señal sinusoidal pura para ofrecer una versión mayor,donde la forma de onda resultante es una señal senoidal pura de uina sola frecuencia.

Cuando ocurre distorsión, la salida no serña una copia exacta (excepto por la magnitud) de la señal de entrada.

Distorsión del Amplificador

La distorsiñon puede presentarse debido a que la característica del dispositivo es no lineal, en cuyo caso sucede la distorsión no lineal o de amplitud. Todas las clases de amplificador.

Puede presentarse la distorisón cuando los dispositivos y elementos del circuito responde a la señal de entrada d eforma diferente a distintas frecuencias, loc ual representa la distorsión de frecuencia.

Análisis de Fourier, permite describir formas de ondas distorsionadas pero periódicas, en términos de su componente fundamental de frecuencia y de componentes de frecuencia en mútliplos enteros (componentes atmónicos o armónicas).

Distorsión del AmplificadorDistorsión Armónica

Se considera que una señal tiene distorsión armónica cuando se presentan componentes de frecuencia armónica (no sólo el componente fundamental).

Si la frecuencia fundamental cuenta con una amplitud A1, y el enésimo componente de frecuencia tiene una amplitud An, la distorsión armónica se define como:

El componente fundamental es por lo regular mayor que cualquier componente armónico

Distorsión del AmplificadorDistorsión Armónica Total

Cuando una señal de salida tiene varios componentes individuales de distorsión armónica, se puede considerar que la señal tiene una distorsión armónica total que se basa en los elementos individuales combinados:

Distorsión del AmplificadorDistorsión Armónica Total

Un instrumento como un analizador de espectro, podría permitir la medición d elas armónicas presentes en la señal, y con ello proporcionar una visualización del componente fundamental de una señal y de varias de sus armónicas en su pantalla.

Un intrumento analizador de ondas permite una medición más precisa de los componentes armónicos de una señal distorsionada al filtrar cada uno de estos componentes y ofrecer una lectura de éstos.

Para una señal que ocurre en clase AB o clase B, la distorsión puede ser principalmente debida a armónicas pares, de las cuales el segundo componente armónico será mayor

Amplificadores Clase C

No se utiliza en amplificadores de audio, si es utilizado en circuitos de sintonización como los empleados en comunicaciones.

Se polariza por menos de 180º del ciclo de la señal de entrada. Sin embargo el circuito sintonizado en la salida, proporcionará un ciclo completo de señal de salida para la frecuencia fundamental o resonante del circuito sintonizado (circuito tanque L y C).

Este tipo de operación estña limitado para uso en una frecuencia fija, como sucede en un circuito de comunicaciones. La operación de un circuito clase C no está destinada para amplificadores de gran señal o potencia.

Amplificadores Clase C

Amplificadores Clase D

Está diseñado para operar con señales digitales o de tipo pulso.

Se logra una eficiencia de cerca de 90%, lo que lo hace muy deseable para amplificadores de potencia.

Sin embargo, es necesario convertir toda la señal de entrada a una forma de onda de tipo pulso antes de utilizarla para manejar una carga de potencia grande y convertir la señal de regreso a una señal de tipo senoidal para recuperar la señal original.


La forma en la que la señal senoidal se puede convertir a una señal de tipo pulso, por medio de algún tipo de forma de onda de diente de sierra o recortadora aplicada junto con la entrada sobre un circuito op-amp de tipo comparador de forma que produzca una seña representativa tipo-pulso.


Diagrama de bloques de la unidad necesaria para amplificar la señal clase D y luego convertirla de regreso a la señal de tipo senoidal mediante un filtro pasa.bajos.


Dado que los transistores del amplificador utilizado para proporcionar la salida, se encuentran básicamente apagados o encendidos, éstos proporcionan corriente sólo cuando se encuentran encendidos, con baja pérdida de potencia debido a su pequeño voltaje de encendido. Mayor cantidad de potencia transferida a la carga -> Alta eficiencia -> Transistores MOSFET.

Ejercicios

1) Para un amplificador clase B que proporciona una señal peak de 20V a una carga de 16 ohms (bocina) y una fuente de alimentación Vcc = 30V, determine la potencia de entrada, la potencia de salida y la eficiencia del circuito.

2) Para un amplificador clase B que utiliza una fuente de Vcc = 30V y maneja una carga de 16 ohms, determine los valores máximos de la potencia de enetrada, potencia de salida y disipación del transistor.

3) Calcule los componentes de distorsión armónica para una señal de salida que cuenta con una amplitud fundamental de 2,5 V, amplitud de segunda armónica de 0,25V , amplitud de tercera armónica de 0,1 V y amplitud de cuarta armónica de 0,05V.

Ejercicios

4) Calcule la distorsión armónica total para los componentes de amplitud dados en el ejercicio 3.

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