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Amplificador de Potencia Clase B Danilo Fernando Poveda Pulla
[email protected] Ismael Eduardo Pintado Garate
[email protected] Jefferson Vicente Domínguez Paute
[email protected] [email protected] .edu.ec Boris Fernando Pesantez Salinas
[email protected] [email protected] ps.edu.ec Grupo 2 Universidad Politécnica Salesiana - Cuenca Laboratorio de Analógica II un amplificador de potencia funciona en clase B Resumen — un cuando la tensión de polarización y la amplitud máxima de la señal de entrada poseen valores tales que hacen que la corriente corriente de salida circule durante un semiperíodo de la señal de entrada amplificadores Palabr as clave — amplificadores
de potencia, amplificadores
potencia de salida en forma de señal. Entonces si sobre la carga se desarrolla una gran cantidad de potencia, el dispositivo deberá manejar una gran excursión en voltaje y corriente. B. Clasificación de los amplificadores de potencia
tipo B
I. I NTRODUCCIÓN Este documento proporciona un la información acerca de los amplificadores de potencia tipo t ipo B. Este amplificador de potencia potencia funciona funciona cuando cuando la polarización le le deja al transistor casi casi apagado de manera que el transistor se enciende cuando a este se le aplica una señal en ac. Es decir que el transistor conducirá corriente solamente para una mitad de ciclo de la señal. Ahora para obtener una señal de ciclo completo será necesario utilizar dos transistores y lograr que cada uno de ellos conduzca durante medios ciclos opuestos, y al tener t ener esta operación combinada se obtiene un ciclo completo de señal de salida. II. OBJETIVOS
Entender el funcionamiento del amplificador clase B. Comprobar el funcionamiento de un amplificador clase B. III. DESARROLLO
A. Amplificadores de potencia
Un amplificador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente continua (polarización Vcc con transistores), usando el control de una señal de entrada, a
*Según el punto estático de polarización • Clase A. La señal de salida circula durante todo un ciclo de
la señal de entrada. El punto de funcionamiento Q está centrado en la Recta de carga. dur ante un semiciclo de • Clase B. La señal de salida circula durante la señal de entrada. IcQ = 0 • Clase AB.
La señal de salida circula durante menos de un ciclo y más de un semiciclo de la señal de entrada. IcQ diferente de 0 pero pequeño.
• Clase C. La
señal de salida circula durante menos de un semiciclo de la señal de entrada. El transistor se encuentra polarizado negativamente VBE < 0 • Clase D.
Se conocen también con el nombre de amplificadores conmutados. Los elementos de salida trabajan en conmutación, por lo que las pérdidas de potencia son muy bajas y consecuentemente, alcanzan rendimientos próximos al 100%. En clase A, el amplificador esta polarizado de tal forma que la corriente por el colector fluye durante el ciclo completo de la señal al de entrada. Para clase AB, la polarización del amplificador es de tal forma que la corriente de colector solamente fluye fluye para un lapso menor menor a los 360° y mayor a los 180° de la onda correspondiente. Para el funcionamiento en clase B, la corriente IC fluir solo durante 180° de la la
2 onda de entrada. Finalmente, para funcionamiento en clase C, el dispositivo conducir durante un periodo inferior a los 180° correspondiente a la onda de entrada. La Figura 1, muestra el comportamiento del dispositivo en las distintas clases.
El primario del transformador de salida está recorrido por corrientes iguales y de sentido contrario, por lo que en ausencia de señal alterna, el flujo resultante a través del transformador es nulo. •
La fuente de alimentación no necesita filtrado riguroso al no inducir señal en el secundario del transformador de entrada, por producirse en el primario señales opuestas, que se contrarrestan. •
Se eliminan los armónicos pares, reduciéndose la distorsión. •
D. Amplificador de potencia tipo B *Características Generales
La señal de salida circula durante medio ciclo de la señal entrada. •
El transistor se polariza en el límite de corte, por lo que en la ausencia de señal de entrada, la distorsión es muy elevada.
• Figura 1. Tipos de amplificad amplificadores ores según el punto estático de funcionamiento funcionam iento
El rendimiento rendimiento teórico máximo es del 78.5%; en la práctica práctica se obtiene entre el 50% y el 65%.
• *Según el punto de trabajo
En la figura 2 se pueden ver ver las posiciones de la recta de carga en función de la clase en la que trabaje el amplificador
Admiten señales de entrada de mayor amplitud que en clase A. Entonces en esta operación, se usa un transistor para amplificar el ciclo positivo de la señal de entrada, mientras un segundo dispositivo se preocupa del ciclo negativo. La configuración se conoce como push-pull.
•
Figura 3. Representación Representación Amplificad Amplificador or de potencia potencia tipo B Figura 2. Puntos Puntos de trabajo trabajo de amplificadores amplificadores
C. Amplificadores de potencia en contrafase
La configuración en contrafase o push-pull, se utiliza para los casos en los cuales la potencia necesaria en la carga es superior a la que puede entregar un único transistor. También se utiliza cuando se quiere hacer trabajar un transistor en clase B y amplificar los dos semiciclos de la señal de entrada. Las características de esta configuración son: •
Empleo de dos transistores excitados con señales iguales
La corriente de salida sólo circula, aproximadamente, durante medio ciclo de la señal de entrada. Durante el otro medio ciclo, la señal no es amplificada. Se produce pr oduce a la salida un cambio alternativo de positivo, hay señal; a negativo, no hay señal. Además, no circula corriente a través de los transistores de salida cuando no hay señal de audio. La distorsión introducida por tanto, es muy elevada, aunque el rendimiento mejora notablemente respecto a la clase A, aunque siempre será inferior al 80%. En la figura 4 se muestra que la corriente de colector está en función de la corriente de base y la localización del punto Q en la recta dinámica.
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Figura 4. Amplificador Amplificador clase clase B
E. Amplificador de potencia clase B en contrafase o pushpull
Figura 7. Formas Formas de onda onda de corriente corriente y voltaje para para una etapa etapa de salida clase B en contrafase contrafase
*Disipación de potencia y rendimiento
Figura 5. Amplificador Amplificador de potencia clase clase B en contrafase contrafase
Potencia de salida o potencia en la carga, PL
=∗= ∗ √ 2 √ 2
1
Potencia máxima que puede entregarse a la carga
= 2∗
2
Potencia suministrada por la fuente, PCC Figura 6. Amplificadores Amplificadores de de potencia potencia clase B en contrafase con con transistores simétricos complem complementarios. entarios.
*Funcionamiento
Sustituyendo los transistores de salida por simétricos complementarios (NPN, PNP) se obtiene la configuración clásica: etapa simétrica complementaria en Clase B, utilizada como circuito de potencia. Cuando se atacan con una señal senoidal las bases de los transistores, t ransistores, se observa que si uno de ellos está polarizado en directo, el otro está en inverso, por lo que cada uno de ellos amplificará un semiperiodo de la señal de entrada.
2 3 =1+2= 1 + =2∗ 4 ∗ El factor “2” en la expresión anterior es debido a que son dos los transistores utilizados en el sistema en contrafase. co ntrafase. Rendimiento, μ
=
5
El rendimiento es bastante mayor que en los amplificadores en clase A. El valor elevado del rendimiento
4 alimentación entrega corriente incluso si la señal es cero. En clase B, la potencia disipada en el colector es cero en reposo y aumenta con la excitación.
1=(2∗1 ∗ )
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G. Distorsión de cruce.
La potencia disipada en ambos transistores
2 ∗ 2 2 =−= + 2 6 = 4 7 F. Amplificador de potencia en contrafase, Clase B con una fuente de alimentación
Figura 9.Distorsión 9.Distorsión de cruce cruce por cero cero
Los armónicos pares desaparecen como consecuencia del montaje en contrafase. La principal fuente de distorsión es el tercer armónico, aunque no se considerará por no influir de manera significativa en la potencia de salida. Figura 8.Amplificador 8.Amplificador de potencia potencia clase clase B con una una fuente
Cuando en el circuito de la figura 6 se suprime una de las fuentes de alimentación y se añade un condensador de gran capacidad, que la sustituye durante el semiciclo en el que conduce el segundo transistor, la excursión máxima de salida se reduce a Vcc/2. Este circuito se muestra en la figura 8 Al introducir el condensador, se hace al circuito dependiente de la frecuencia. Conforme disminuye la frecuencia de la señal, aumenta la tensión en el condensador y disminuye en la carga, reduciendo la ganancia del amplificador. El punto de media potencia, o de 3 dB, especifica la frecuencia más baja de corte. Esta es la frecuencia que provoca una caída de 3 dB, Av = 0.707 en la amplitud de salida. El punto está especificado especificado por la siguiente expresión. expresión.
=| 1∗ 1| 1 ) = (∗1
8 9
La impedancia del condensador disminuye con el aumento au mento de la frecuencia, por lo que el peor de los casos se produce a frecuencias bajas. Si se supone que la frecuencia más baja
La distorsión que sí se debe considerar en este tipo de montajes es la debida a la linealidad de las características de entrada de los transistores. Se conoce como distorsión de cruce (crossover). Si se aplica una entrada senoidal a la entrada de un amplificador en contrafase clase B, no habrá salida hasta que la entrada supere la tensión de umbral (Vτ ≈ 0 .5 ... 0.7 voltios para el silicio).
Esto se puede apreciar en la figura 9Para evitar este tipo de distorsión se aplica una ligera polarización a las bases de los transistores. Para ello se colocan diodos de compensación en serie con unas resistencias, encargadas de hacer que ICQ se encuentre ligeramente por encima de cero, (esto provoca que los transistores amplifiquen la señal de entrada en alterna de manera simultánea en la región de paso por cero, compensando así la baja amplificación en dicha zona. En la siguiente figura e muestra la distorsión de cruce, característica de los amplificadores de potencia trabajando en clase B en contrafase.
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230 2 = = 16Ω = 35.8 35.811
Una forma de reducir la distorsión de cruce en los amplificadores clase B en contrafase, consiste en introducir un lazo de realimentación y colocar un preamplificador con una gran ganancia en lazo abierto. Este preamplificador suele ser un amplificador operacional.
La eficiencia del circuito por tanto
∗100%= 28.125 ∗100% %ɳ = 35.81 =78.54%
H. Ejemplo
Para un amplificador clase B que proporciona una señal pico de 20 V a una carga de 16Ω (Bocina) y una fuente de
alimentación de Vcc=30 V, determine la potencia pot encia de entrada, la potencia de salida y la eficiencia del circuito. Solución: Una señal pico de 20 V a través de una carga de produce una corriente de carga
20 = 1.25 = = 16 Ω 25 El valor de cd de la corriente extraída de la fuente de corriente es entonces
= 2 = 2 1.25 =0.796 La potencia de entrada suministrada por el voltaje de alimentación es
=∗ = 30 ∗ 0.796 = 23.9 La potencia de salida entregada a la carga es
20 = 2 = 216Ω = 12. 12.5
Como se esperaba, la potencia máxima disipada por cada transistor es
2 2 30 30 = 2 =0.5 ∗ =0.5 ∗16Ω =5.7 Simulaciones respectivas Remítase Anexo 1. IV. CONCLUSIONES Se puede definir amplificador de potencia como la etapa, cuyo objetivo es entregar la máxima potencia a la carga, con la mínima distorsión y con el máximo rendimiento. En la configuración del amplificador de potencia de clase B el transistor se polariza en el límite de corte, Además que la señal de salida circula durante medio ciclo de la señal entrada. Este tipo de amplificadores introducen mucha distorsión por lo que no se recomienda utilizar en amplificadores de potencia con un único transistor; es más eficiente utilizar en montajes de contrafase para ofrecer una señal de salida de forma igual a la de entrada. V. R EFERENCIAS EFERENCIAS
Para una eficiencia resultante de
[1] Robert L. Boylestand- Louis Nashelsky, Electrónica: Teoría de Circuitos. décima edición. Person Education.
∗100%= 12.5 ∗100%=52.3% %ɳ = 23.9
[2] Aguilar Peña, Peña, J. D Valero Valero Solas, D. Amplificadores Amplificadores De potencia. potencia. Teoría y problemas. Ed. Paraninfo, Madrid 1993.
*Para un amplificador clase B anterior, determine la potencia de entrada máxima máxima y la disipación del transistor. transistor.
[3] Gray, Paul; R.; Meyer, Meyer, Robert G. Análisis y diseño de Circuitos Circuitos Integrados Analógicos. Analógicos. Ed. Prentice Pr entice Hall, cop, México 1995.
Solución:
[4] Rashid, M. H. Circuitos Circuitos micro electrónicos. Análisis y diseño. Thomson, Thomson, 2000.
La potencia de salida máxima es
30
= 2∗ = 216Ω 16Ω =28.125 La potencia de entrada máxima extraída de la fuente de voltaje es
[5]
Ruiz, Robredo, Robredo, G. A. Electrónica básica básica para ingenieros. Dpto. Electrónica y Computadores. Facultad de ciencias, Universidad de Cantabria.
Anexo 1
Amplificador de potencia con transistor NPN VCC 30V
Ext Trig + _ B
A +
_
+
_
Q1 XWM1
V1 20 Vpk 1kHz 0°
V
I
R1 16 Ω
Figura 11. Amplificador de potencia semiciclo positivo
Amplificador de potencia con transistor PNP
VCC
Ext Trig +
-30V
_ B
A +
_
+
_
Q2 XWM1
V1 20 Vpk 1kHz 0°
V
I
R1 16 Ω
Figura 12. Amplificador Amplificador de potencia semiciclo negativo
Amplificador de potencia con transistor en conexión Push Pull XSC1
Ext Trig + _
VCC
B
A +
_
+
_
30V
XWM1
Q1
V
I
V1 20 Vpk 1kHz 0° Q2
R1 16 Ω
-30V VDD
Figura 13. Amplificador de potencia clase B conexión Push Pull
