UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
SEGUIDORES DE EMISOR
Impedancia de salida baja
Es un seguidor e emisor es un amplificador clase A
Impedancia de entrada muy grande
Ganancia de voltaje casi unitaria resistenciaa grande resistenci
La ganancia en voltaje y la corrient corrientee de dc del transistor Q1 Q1 se ven afectadas afect adas por los valore valoress 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 resistencia de emisor RE) y no es adecuada para amplificadores de potencia.
Características de transferencia
El voltaje de entrada esta relacionado con la corriente de colector Ic mediante Utiliz Utilizand ando o ic de la ecuación (14.12), el voltaje de salida es Por tanto, la caracteristica de transferencia (vo (vo en fun funci cion on de vI), 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 alimentación está dada por La carga promedio (o potencia de salida), está dada por donde Vp e Ip son los valores valores pico del del voltaje y la corriente corriente de salida de ca, respectivamente. respectivamente. Utilizando los valores mínimo y máximo de las señales de salida, salida, Vp e Ip se pueden pueden expresa expresarr como donde VCE, de manera ideal, se extiende en todo su rango. Utilizando las ecuaciones (14.17) (14.17) y (14.18), la ecuación (14.15) se expresa expresa como que da la potencia potencia maxima de carga PL(max) 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, conversión, definida como como la relacion de potencia de de la carga respecto a la potencia potencia de la fuente fuente de alimentación alimentación se expresa como Sustituyendo las ecuaciones ecuaciones (14.14) y ( 14.19) en la (14.21), se obtiene la eficiencia eficiencia maxima maxima como misma que, para VCE(min) = 0, IC(min) = 0, VCE(max) = VCC, IC(max) = 2IC , se convierte en
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 dolarización IC. Por ejemplo, ejemplo, si VCC = 30V y PL(max) = 50W, entonces,
Con frecuencia, la calidad de un amplificador amplificador se mide utilizando la cifra de merito Fm, misma que se define como
La disipación máxima del colector esta d ada por
Al sustituir las ecuaciones (14.20) y (14.25) en la (14.24), se obtiene
por lo que la distancia distancia de potencia potencia del colector colector es de dos veces la pitencia pitencia maxima maxima de salida. Por ello, ello, para una salida maxima maxima de 50W, el colector debe ser capaz de disipar por lo menos 100W. 100W. Este requerimiento es el incoveniente incoveniente principal de los amplificadores 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 e misor 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 d e 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 io es
donde la corriente corriente del colector iC1 esta relacionada con el voltaje voltaje de entrada 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.
Salida de un amplificador clase AB
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.
Características de transferencia
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 .
Implementación con diodo
Polarización con diodos y con una fuente activa de corriente
En los circuitos en vez de una resistencia discreta es normal usar una fuente activa de corriente
Circuito
En los circuitos integrados en vez de diodos, se utilizan 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.
Circuito
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: =1.4Por tanto las uniones base-emisor de y estarán siempre en polarización directa
Características de transferencia
Polarización con un multiplicador
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 que el circ circuuit itoo se multi ultipl plic icaa ahí el nombre de multiplicador de
) por por el fact actor (1+ (1+
Polarización de un amplificador clase AB con un multiplicador de .
) de 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.
Amplificador clase AB en contrafase acoplado por transformador
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 retroali mentación 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 acoplado por transformador con retroalimentación en serie paralelo
PROTECCIÓN CONTRA CORTO CIRCUITO Y PROTECCIÓN TÉRMICA EN EN UN AMPLIFICADOR CLASE AB
Protección contra contra corto circuito circuito
El circuito utilizado en la figura 14.29 para la protección contra cortocircuito está formado por el transistor Q1 y el resistor 'R 'R E 1 Si ocurre un cortocircuito en Ia carga mientras Q N esta conduciendo" fluirá una corriente grande por R R El , desarrollando un voltaje V RE RE11 proporcional a la corriente de cortocircuito a través de R E1.
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 I R1. Por tanto, la corriente de base de Q N es reducida a un nivel seguro las caídas de voltaje voltaje a través de los resistores de emisor disminuirán el voltaje de salida en I misma cantidad, por tanto, los valores de R E1 E1 y R E2 deben ser tan bajos como sea posible posible (del orden de los m Ω). Sus valores quedan determinados a partir de R RE1= RE1= R RE2= RE2= VBE1/io (med)
Los transistores de una etapa de salida están protegidos contra las corrientes de excesivas de un cortocircuito
protección térmica en un amplificador clase AB AB
Esta formado por dos transistores (Q 2 y Q3), tres resistores (R1 R2 y R3) y un diodo zener. Normalmente, el transistor Q2 está desactivado. Si la temperatura aumenta, V BE3 BE3 disminuye debido al coeficiente negativo de temperatura de Q 3,
El voltaje zener V z aumenta, por el coeficiente positivo positivo temperatura del diodo zener D z. Como resultado, el voltaje en el emisor de Q 3 se eleva, el voltaje de la base de Q 2 también aumenta. Si la elevación de temperatura es adecuada Q 2 se activa y desvía la corriente de referencia I R del del amplificador
AMPLIFICADORES OPERACIONALES DE POTENCIA
Los amplificadores operacionales tienen algunas características deseables, como una ganancia de lazo abierto muy grande (>105)
Sin embargo
La potencia de salida de ca de los amplificadores operacionales por lo general es baja Se puede obtener una potencia potencia grande de un amplificador de potencia formado por un amplific amplificador ador operacional operacional seguido seg uido por un se arad arador or cla clase se AB La estructura general de un amplificador operacional de potencia aparece
En el mercado existe una gran variedad de amplificadores de potencia que combinan una pastilla convencional de amplificador
Una impedancia de entrada muy alta (hasta de 109 ohm) y una corriente de polarización de entrada muy baja
La etapa de separación consiste de los transistores Q1, Q2, Q3 y Q4. R1 y R2 polarizan a los transistores Q1y Q2, de de + manera que -VBE1 VBE3 =0 y VBE2 BE2 - VBE4 = 0.
El transistor Q3 proporciona la corriente positiva positiva de carga hasta has ta 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 R E1 E1 y R E2 E2.
Estructura de un amplificador operacional de potencia potencia
Amplificador operacional de potencia LH0021
El amplificador LH0021 está diseñado para funcionar con una fuente de alimentación de ±25 V, que qu e es capaz de proporcionar proporcionar una excursión excursión de voltaje voltaje de salida pico de aproximadamente 12 V a una carga de 10 fi en todo el rango de frecuencia, hasta 15 kHz
La distorsión del voltaje de salida es menor al 16%.el circuito puede dividirse en tres etapas:
Etapa diferencial
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
Etapa de salida
Etapa de ganancia La etapa de ganancia es una es una configuración configuración de emisor de emisor común, común, y está y formada por Qpor Q910y está formada 9 yQ conectados como par Q10 conectados como par Darlington. Darlington.
El transistor Q8 sirve como una fuente activa de corriente para esta etapa. El capacitor C l l es el capacitor de compensación para separar los polos, conectado en una retroalimentación retroalimenta ción en paralelo-paralelo
Amplificador operacional LH0021
Está formada por los transistores Q13, Q14, Q15, Q16, Q17 y Qi8- Los diodos D3 y D4 proporcionan el de salida para la voltaje Etapa de polarización 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 R R1 protege a Q17 y a Q18 limitando el flujo de corriente que pasa por ellos. 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
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
Está formada por los transistores pnp Q3 a Q6. El 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 polarización (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.
Ganancia
Salida del circuito
Formada por Q12, tiene una configuración de emisor común. común. El transistor Qu sirve como carga activa de fuente de corriente para la etapa de ganancia.
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.
El capacitor C es el capacitor de compensación para separar los polos, y su función es dar un ancho de banda amplio.
Amplificador operacional LM380
Los resistores de emisor R R6 y R-, dan estabilidad a la polarización.
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, 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 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
Amplificador de puente
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 corriente nominal de los transistores de potencia puede llegar hasta los 500 A, con una disipación de potencia hasta de 200 W
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.
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 T j (máx) en el rango de 150° a 200 °C.
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 T j=temperatura de la unión en°C
Donde TA=temperatura ambiente en°C
El calor se transfiere del dispositivo al aire por uno de estos tres métodos
1. Conducción desde desde la 1.Conducción unión hasta el encapsulado a través de una resistencia y del térmica jc 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.
Esta ecuación representa el proceso de transferencia de calor, y es análoga ala ley de ohm
La disipación de potencia corresponde a la la corriente; la diferencia de temperatura, aa la diferencia de voltaje y la resistencia térmica, a la resistencia eléctrica
Disipación de potencia en función de la temperatura
La temperatura ambiente T A y la temperatura del encapsulado Tc están relacionadas con la potencia disipación de potencia potenc ia p D mediante
Tc-TA=PD (
CS + 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 CURVA DE REDUCCIÓN DE POTENCIAL NOMINAL
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.
1. Identificar las especificaciones de la etapa de salida (por ejemplo, la potencia de salida PL LA resistencia de carga R L y los voltajes de alimentación de cd Vcc y VEE).
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.
7. Determinar la disipación de potencia de los transistores y la resistencia térmica deseada del disipador de calor.
Por tanto el diseño de un amplificador de potencia consiste en etapas de salida que involucra los siguientes pasos
2. Seleccionar el tipo de operación de salida; por lo general, operación clase B o clase AB. AB.
5. Seleccionar el tipo de circuito de polarización de cd. Determinar las especificaciones de los componentes activos y pasivos.
3. Determinar los valores nominales de voltaje y de corriente de todos los transistores. transistores.
6.Seleccionar los transistores de potencia que cumplan con los requerimientos de voltaje, corriente y potencia. Determinar D eterminar su temperatura máxima de unión Tj(máx) y las resistencias térmicas J c y
CS .
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.
