PROBLEMAS DE AMPLIFICADORES
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ELECTRÓNICA DE POTENCIA RELACIÓN DE PROBLEMAS DE LA UNIDAD 2. AMPLIFICADORES DE POTENCIA (ETAPA DE SALIDA). EJERCICIO 1. [1] En el siguiente amplificador de potencia de clase A de la figura, calcular: A) El valor de RB para localizar el punto Q en al centro de la línea de carga. B) La máxima potencia de salida. Datos: Vcc = 12V, Rc=100W, hFE = 60 y VBE =0.7V. Sol: A) 11.3kW. B) 180 mW. Ejer1.mcd ; Tamaño (341KB) EJERCICIO 2. [2] En un amplificador de potencia (Figura), clase A, sin transformador, determinar la relación existente entre potencia alterna de salida en la carga y distorsión. Para el circuito de la figura, admitiendo que los armónicos de orden superior al 2º son despreciables, determinar la distorsión armónica en el mismo. Calcular el rendimiento de la conversión de potencia continua en alterna. Datos: Nivel de continua en colector para iB = 0, Ic = 350mA. Nivel de continua en colector para la iB normal de excitación, Ic=390mA. RL =40W. Potencia de alterna en la carga RL, Pa =2W. NOTA: Considérese el transistor ideal. Sol: A) 12.75%. B) 18,06%. El desarrollo en serie de Fourier de la corriente de salida del amplificador, i c , para una excitación de entrada senoidal i b , es de la forma: en la que:
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ELECTRÓNICA DE POTENCIARELACIÓN DE PROBLEMAS DE LA
UNIDAD 2.
AMPLIFICADORES DE POTENCIA (ETAPA DE SALIDA).
EJERCICIO 1. [1]
En el siguiente amplificador de potencia de clase A de lafigura, calcular: A) El valor de RB para localizar el puntoQ en al centro de la línea de carga. B) La máxima potenciade salida. Datos: Vcc = 12V, Rc=100W, hFE = 60 y VBE=0.7V. Sol: A) 11.3kW. B) 180 mW.
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EJERCICIO 2. [2]
En un amplificador de potencia (Figura), clase A,sin transformador, determinar la relaciónexistente entre potencia alterna de salida en lacarga y distorsión.Para el circuito de la figura, admitiendo que losarmónicos de orden superior al 2º sondespreciables, determinar la distorsión armónicaen el mismo.Calcular el rendimiento de la conversión depotencia continua en alterna. Datos: Nivel decontinua en colector para iB = 0, Ic = 350mA.Nivel de continua en colector para la iB normalde excitación, Ic=390mA. RL =40W.Potencia dealterna en la carga RL, Pa =2W.NOTA: Considérese el transistor ideal. Sol: A)12.75%.B) 18,06%.
El desarrollo en serie de Fourier de la corriente de salida del amplificador, ic, para unaexcitación de entrada senoidal ib, es de la forma:
en la que:
IC = corriente de colector para excitación ib=0.A0 = Nivel de continua de la onda de salida debida a la distorsión.A1, A2,....An = Amplitud de los armónicos de la onda de salida.De donde para los siguientes valores obtenemos:
1)*w t = 0º, iC = Imax = IC + A0+A1+A2+...2)*w t = 90º, iC = IC = IC +A0 -A2+A4-...
3)*w t = 180º, iC = Imin = IC + A0-A1+A2-...
Tomando únicamente hasta el 2º armonico, se obtiene del punto 2), anterior: A0=A2 ; yresolviendo entre 1) y 3)
La distorsión del armonico de orden, se define como:
La distorsión total se define como,
Por otra parte la potencia en la carga del armonico de orden i, viene dado por:
Finalmente la potencia total en la carga debido al conjunto de armónicos viene dado por:
La potencia total alterna substituyendo este valor en Pa,
A) En el ejemplo pedido se tiene, IC=350mA, IC + A0 = 390mA., A2=A0 = 40mA, PT =2W. Despejando,
;
B) El rendimiento de la conversión viene dado por,
P1= Potencia de alterna en la carga para el primer armonico.PC= Potencia de continua en la carga.En nuestro caso:
;
El calculo de VCC, se realiza a partir de la recta decarga siguiente.
EJERCICIO 3. [3]
Diseñar un amplificador complementario de clase B, donde obtengamos una salida iguala la de la siguiente figura. Sabiendo que la resistencia de carga de 8W, con una potenciamedia de salida de 50W deseada para una amplitud máxima de señal senoidal. Calcular:A) ¿Que valor de Vcc es requerido?, B) ¿Que valor de corriente máxima es requeridopara Q1 y Q2?, C) Valor máximo de tensión colector-emisor requerido para Q1 y Q2. D)PDQ1max y PDQ2max. Sol: A) 28.3V.B) 3.54A. C) 56.6V. D) 10.2W, 10.2W.
EJERCICIO 4.
De una etapa de potencia clase B con transistores simétricos complementarios (Figuraejercicio anterior). Calcular: A) Dibujar la señal de salida en la que se pueda observar ladistorsión de salida. B) Potencia máxima en la carga. C) Potencia que suministra cadafuente de alimentación. D) Potencia que disipa los transistores cuando la potencia en lacarga es máxima. E) Rendimiento para la condición expresada anteriormente. F) Potenciainstantánea teórica máxima en los transistores de salida. G) Potencia media máxima en
los transistores de salida. Datos: Vcc=15V; RL=2kW;Vm=13.69V. Sol: A) Ver simulaciónGRAF1.B) 46.85mW. C) 32.68mW. D) 9.25W. E)71.67%. F) 28.12mW. G) 9.37mW.
Distorsión de cruce.Graf1.jpg PQ1, VCEQ1, ICQ1.Graf2.jpg
Ejer4out.txt. Tamaño (5KB). Ejer4.cir.Tamaño (1KB).
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B) La potencia en la carga máxima será:
C) Potencia que suministra cada fuente de alimentación:
De donde Pcc1=Pcc2.
D) La potencia que disipa los transistores cuando la potencia en la carga es máxima es:
E) El rendimiento por lo tanto seria:
F) Potencia instantánea teórica máxima en los transistores de salida.
G) Potencia media máxima en los transistores de salida:
EJERCICIO 5. [4]
Diseñar un circuito con simetría complementaria compensado por diodos (Ver figurajunto a circuito equivalente a la base) para un amplificador de audio con una respuesta enfrecuencia de 60Hz a 20KHz y una potencia de salida de 0.5W en un altavoz de8W.Utilícense transistores de silicio con b=60. Los diodos tienen una resistencia endirecto de 8W. La fuente de alimentación es de 12V. Determinar: A) La ganancia decorriente. B) La potencia proporcionada por la fuente. C) Potencia máxima disipada porcada transistor. Sol: A) 17.9.B) 1.52W. C) 1.02W.
EJERCICIO 6. [4]
Diseñar un amplificador push-pull clase B con simetría complementaria compensado pordiodos (Ver figura del circuito anterior) para excitar una carga de 4W a ±3V para unintervalo de frecuencias de 50Hz a 20KHz. Suponer que los transistores NPN y PNPposeen una b=100 para cada uno y VBE = ±0.7V. Los diodos tienen una resistencia endirecto Rf=10W. Determinar todas las tensiones y corrientes en reposo para una tensiónde alimentación Vcc=16V. Determinar la máxima potencia que se extrae de la fuente dealimentación, la potencia desarrollada en la carga y disipación de potencia en lostransistores. Sol: Pcc=4.04W; PL=1.13W; PT =1.62W.
EJERCICIO 7.
Comentar el diseño, formas de onda y funcionamiento del circuito de la figura para lossiguientes casos: A) Los interruptores estén en modo LINEAR. B) Los interruptores esténen modo PWM.
EJERCICIO 8. [5]
Del siguiente circuito y tablas asociadas: A) Identificar las etapas y elementos principalesjunto con la función que desempeñan. B) Comprobar para una carga de 8W y PL= 10Wlos diferentes valores de tensiones y comentar la tabla.
Diseño del circuito y tablas cortesía de Texas Instruments.
Pot
W
Imp. Sal.
W
Tens.(RMS)
V
Tens.(Pico)
V
Tens(Pico-Pico)
V
Int(RMS)
A
Int(Pico)
A
Tens.aliment.
V10 8 8.94 12.61 25.22 1.12 1.58 3210 15 12.25 17.31 34.62 0.82 1.15 4015 8 10.95 15.50 31.00 1.37 1.94 3615 15 15.00 21.20 42.40 1.00 1.41 5020 8 12.64 17.88 35.78 1.58 2.24 4230 8 15.60 22.05 44.10 1.95 2.76 50
Ps RL R4 R5 R6 R8 R9 R11 C7 T7 T810 8 12K 3K3 12K 56K 1K2 3K9 2000 TIP32 TIP3110 15 15K 3K9 15K 120K 820 10K 1000 TIP32A TIP31A15 8 15K 3K9 15K 82K 1K 5K6 2000 TIP42 TIP4115 15 15K 4K7 15K 82K 680 8K2 1000 TIP32A TIP31A20 8 15K 3K9 15K 82K 820 5K6 2000 TIP42A TIP41A30 8 15K 4K7 15K 82K 860 4K7 2000 TIP34A TIP33A
EJERCICIO 9.
En el circuito de polarización de la base de lostransistores de salida se suele colocar un transistorcomo el indicado en la figura. Determinar el valor de R1y R2 para obtener una buena compensación térmicacon los transistores de salida.Sol: R1=R2.
EJERCICIO 10. [1]
En circuito de la figura tenemos unamplificador de simetría complementaria.Determinar: A) El voltaje en el punto A. B)La máxima potencia entregada en lacarga.Datos: Vcc=28V, VD(ON)=VBE(ON)=0.7V,hFE1=hFE2=hFE3=hFE4=hFE5=50,Co=5000mF,Ce=1000mF, hie1=10kW,RL=8W, R1=12kW, R2=1kW, RE=100W,R=2.2kW. Sugerencia: Obtener la ecuaciónde VA en función de I, seguido obtener I.Sol: A) 15.6V; B) 11.7W.
A) El voltaje en el punto A con respecto a masa es:
Como Q2 y Q3 son idénticos, por lo tanto VBE2 = VBE3 = 0,7V.
El voltaje en el emisor de Q1 puede expresarse como:
La corriente de emisor de Q1 es:
Como IE1@ IC1, y asumiendo que IB2 y IB3 son insignificante con respecto a IC1,entonces IE1@ I y por lo tanto:
sustituyendo I en la ecuación donde obtenemos VA.
una vez obtenido VA si sustituimos en la siguiente ecuación para hallar I.
B) Antes de calcular la máxima potencia entregada en la carga, calculamos primeroVCE1.
esta tensión es de pico, para pasarlo a RMS seria , por lo tanto ahora podemos
hallar el valor de la máxima potencia entregada a la carga:
EJERCICIO 11. [7]
Diseñar el amplificador de la figura, dando los valores de las resistencias, de Vcc y de Isde Q4 de tal forma que suministre una potencia de 100W sobre 8W. En reposo, lacorriente de salida deberá ser nula y la de colector de Q1 de 5mA. Datos: Q1 es idéntico aQ2; Q6 a Q7. Is1 = 9.74·10-13, Is3 = 4.82·10-14, Is5 = 7.4·10-14, b1L =100, b3=100, b5
=200, b1H =40,b6 =300. Sol: R4=33.9kW ,R2=1004kW ,R3=502W, Is=7.91·10 -14 A, Vcc=42V.
Potencia RMS carga.Graf3.jpg
IRL,Potencia AVG carga.Graf4.jpg
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EJERCICIO 12.
Sea el amplificador de audiofrecuencia de clase A mostrado en la siguiente figura. A )Diseñar el amplificador de forma que entregue la máxima potencia a una carga RL de750W, considerando los condensadores de valor elevado (realizar un diseñoaproximado). B ) Modificar el diseño realizando un acoplo por transformador,entregando la máxima potencia de salida a una carga RL de 5W. Determinar laamplificación de salida. DATOS: ICmax =1A, VCEmax =50V, PDmax =5W, bMIN =30,Tc=25º. Sol A)Rc = 150 W ; Re = 15 W ; Vcc = 58 V ; R1 = 662 W ; R2 = 48 W. B ) N = 5 ; Vcc =28 V
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EJERCICIO 13. [7]
Diseñar un circuito amplificador de clase AB. A) Diseñarun circuito amplificador de clase AB de la siguiente figura,que pueda abastecer el máximo voltaje de salida, con unaresistencia de carga de 5W ,con una corriente IQ =2 mA ; VCC
= 12V. DATOS: (Diodo) IS = 10-13 A ; VD1 = VD1 = 0.7V y IDmin =1 mA que asegure la conducción. (Transistor ) ßf = 50 ; VBE =0.7V ; VCEsat = 0.2V ; VT=25.8 mV. B) Hallar el voltaje enlos diodos VBB para una tensión de salida Vo = 0V y Vo =11.8V. Sol A)R1 = R2 = 1994 W ; B) VBB = 1.277V y VBB = 1.19V.
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EJERCICIO 14. [6]
Para la etapa de salida de la figura, Vcc=15V y que para todoslos dispositivos VCEsat =0.2V,VBEon = 0.7V y ß= 50, R1=20kW.A)Calcular los limites máximos positivos y negativos paraRL=10kWy RL=2kW.B) Calcula la potencia máximapromedio que se puede entregar a RL antes de que ocurra elrecorte para RL=10kWy para RL=2kW.Calcular la eficienciadel circuito correspondiente y la potencia promedio disipadapor cada uno de los dispositivos de salida. Desprecie ladistorsión por cruce y suponga señales senoidales.
Ejer14.mcd ; Tamaño (517KB)
BIBLIOGRAFíA.
[1] Research and Education Association; "The electronics problem solver".Piscataway,New Yersey. 0885.[2] Garcia, S. y otros; Problemas de electrónica; Ed. Marcombo.1990.[3] Allan R. Hambley; Electronics a top-down approach to computeraided circuit desing.Mc Millan Publishy Company.[4] Savan, Roden, Carpenter; Diseño electrónico. Ed. Addison-Wesley Iberoamericana.[5] Aguilar Peña, J.D; Amplificadores de Potencia, Teoría y problemas. Ed. Paraninfo.
[6] Gray P.R., Meyer R.G.; Análisis y diseño de Circuitos integrados analógicos. PrenticeHall.[7] Rashid, M.H. ; Circuitos Microelectrónicos "Analisis y Diseño".Ed. Thomson.
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