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AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE A-B-AB-C-D Integrante (Juan Daniel Armijos Armijos) Armijos) Electrónica Analógica II
[email protected] [email protected] [email protected] alcanza el estado de corte ni saturación. Esto quiere decir que, incluso sin entrada alterna, el transistor está disipa disipando ndo potenc potencia. ia. Por este este motivo motivo la efici eficienc encia ia o rendimiento de un amplificador trabajando en clase A no es muy alta. Su límite teórico es de 25%. La razón de utilizar este circuito es porque para una entr entrad adaa seno senoid idal al la sali salida da del del circ circui uito to tamb tambié iénn es senoidal. No existiendo distorsión alguna de la señal a la salida. Si se desea centrar el punto Q de la recta de carga en corriente alterna, puede utilizarse la siguiente ecuación. Esta ecuación es útil para el circuito de polarización por puente divisor o polarización de emisor.
RESUMEN:
Las diferentes Clases de amplificación, Clase A, B, AB, C, D y otros han ido apareciendo con el tiempo con el objetivo de conseguir una reproducción cada vez mas mejorada en fidelidad de las señales que tratamos de mejorar con cada uno de estos estos amplific amplificadore adores, s, teniendo teniendo un menor menor consumo consumo de energía al ser el amplificador más efectivo y mejorado. La amplificación en conmutación o amplificador Clase D, se diferencia del resto de amplificadores amplificadores antes mencionados en la información de la señal que se desea amplificar. Siendo Siendo el el amplif amplifica icador dor clas clasee D uno de de los los amplifica amplificadores dores más utilizados utilizados en transmisió transmisión, n, por su gran eficiencia en rendimiento cercana al 100%, lo cual se da al estar estar compue compuesto sto por dos transi transisto stores res que pueden pueden estar estar montad montados os en config configura uració ción n push-pu push-pull ll u otras otras difere diferente ntess config configura uracio ciones nes,, pero pero normal normalmen mente te consis consiste te en usar usar los transistores como interruptores en vez de fuentes de corriente.
Ventajas Inconvenientes - Para una entrada - El transistor está conduciendo senoidal la salida todo el tiempo. - Sin entrada de tensión alterna, del circuito el transistor está disipado también es potencia. senoidal. - La señal de salida está - No existe desfasada 180º. distorsión de la - El rendimiento de un señal a la salida. amplificador en clase A tiene un límite teórico del 25%.
Una Una de las las func funcio iona nali lida dade dess más más Transistor.importantes de un transistor es la de amplificar señales. señales. Son circ circui uito toss qu quee se util utiliz izan an a Los amplificadores.- Son aume aument ntar ar (amp (ampli lifi fica car) r) el valo valorr de la seña señall de entr entrad adaa generalmente muy pequeña y así obtener una señal a la salida con una amplitud mucho mayor a la señal original. veloci cida dadd o rapi rapide dezz con con la qu quee se Potencia.- Es la velo realiza realiza un trabajo trabajo yen electric electricidad idad y electróni electrónica: ca: potencia potencia eléctrica es la multiplicación de la corriente (en amperios) por e l voltaje (en voltios). P = I x V (vatios).
1 INTRODUCCIÓN Los requerimientos funcionales de nuevos amplificadores de audio en su aplicación en teléfonos celulares y muchos otros equipo equ iposs portát portátile iles, s, no solo solo incluy incluyen en las con conven vencio cional nales es especificaciones de respuesta de frecuencia, relación señalruido y otros parámetros de audio, sino también en forma creciente y preponderante la eficiencia eléctrica y térmica, adem además ás del del cons consum umoo de ener energí gíaa qu quee va redu reduci cien endo do o mejorando dependiendo de la Clase de Amplificador. Por lo cual cual se menc mencio iona nara rann los los dife difere rent ntes es tipo tiposs de Clas Clases es de Amplificadores obteniendo su funcionamiento fun cionamiento y características que los diferencian de cada Clase C lase siendo estas las Clases A, B, C, D.
Ec. 1 Tabla 1: Características del amplificador clase A
2 AMPLIFICADOR CLASE A En este este tipo tipo de ampl amplif ific icad ador ores es el tran transi sist stor or está está conduciendo todo el tiempo, es decir, el punto Q nunca
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Fig. 2: Esquemático de un amplificador en clase A. Señales de entrada y salida Fig. 1: Amplificador en clase A
3 AMPLIFICADOR CLASE B
Para calcular el rendimiento máximo de este tipo de amplificadores comenzaremos por el cálculo de la potencia suministrada por la fuente.
Dado que el rendimiento de los amplificadores en clase A no es muy alta, se ideó otra configuración para tratar de aumentar el rendimiento de los amplificadores de audio. Se denominaron amplificadores en clase B, también llamados Push-Pull o de simetría complementaria. En estos circuitos conduce un transistor en cada semiperiodo de la señal. En estos montajes son necesarios dos transistores, un NPN y un PNP, éstos deben ser complementarios para un mejor funcionamiento del conjunto. Además, necesitamos dos fuentes de alimentación, una positiva y otra negativa.
Ec. 2 Y para la potencia entregada a la carga Ec. 3 Sustituyendo estos valores en la ecuación del rendimiento, siendo como máximo el valor que podremos obtener de VP = VCC, para una excursión máxima de salida entre corte y saturación, nos queda
Ec. 4 Como en los amplificadores en Emisor Común o en Colector Común la carga está en paralelo con otra resistencia, rC = RC//RLoad o bien rE = RE//RLoad el valor del rendimiento se divide entre ambas. Téngase en cuenta que, para una máxima transferencia de potencia, la impedancia de salida del amplificador y la carga que se conecte deben tener el mismo valor. Fig. 3: Amplificador elemental en clase B
Ec. 5 Esta es una de las limitaciones más importantes de este tipo de amplificadores, junto con la disipación de potencia por parte del transistor sin aplicar señal a la entrada.
Los puntos de trabajo de ambos transistores están situados en la zona de corte, evitando la disipación en el transistor sin aplicación de tensión de entrada. Debido a ello, se produce una pequeña distorsión en la señal de salida del circuito, en torno al 5%. De forma constructiva, está formado por la asociación de dos transistores en configuración seguidor de emisor. Siendo más complejos de calcular y fabricar que los
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amplificadores en clase A. Además de necesitar dos transistores complementarios, éstos deben estar “apareados” para disminuir la distorsión de cruce. Figura 4. Para obtener el rendimiento máximo de este tipo de amplificadores comenzaremos por el cálculo de la potencia suministrada por cada fuente. Téngase en cuenta que, como se mencionó anteriormente, cada transistor conduce sólo durante una mitad del ciclo completo.
distorsión en el cruce por cero. Esto es debido al tiempo que pasa entre que uno de los transistores deja de funcionar y el transistor complementario entra en funcionamiento. Esta configuración consume menos potencia y tiene un rendimiento mayor que los amplificadores trabajando en clase A. Al estar formado por la asociación de dos seguidores de emisor, estos amplificadores no disponen de ganancia de tensión y no existe desfase entre la entrada y la salida del circuito.
4 AMPLIFICADOR CLASE AB Si deseamos aprovecharnos de la muy baja distorsión de los amplificadores en clase A y obtener un rendimiento mayor que éstos, la solución viene de la mano de los amplificadores que trabajan en la denominada clase AB. Conjugando las mejoras de los amplificadores anteriores. Para conseguir nuestro objetivo, se polariza el punto de trabajo un poco por encima de la zona de corte y así se evita la zona no lineal de trabajo del transistor entorno a este punto de funcionamiento, Figura 26. Los diodos D1 y D2 son los encargados de elevar el valor de la tensión base emisor de los transistores, evitando con ello que alcancen la zona de corte de los mismos. El resto de funcionamiento es idéntico a los amplificadores en clase B. En cuanto a características eléctricas, como sucedía en los amplificadores clase B, no existe desfase entre la entrada y la salida del circuito y tampoco obtenemos ganancia alguna de tensión, Figura 6.
Este valor deberemos multiplicarle por dos para obtener el consumo de las dos fuentes de alimentación del circuito. Y la potencia suministrada a la carga viene definida por Ec. 7 Con lo que el rendimiento nos queda
Ec. 8
Fig. 4: Esquemático de un amplificador en clase B. Señal de entrada y distorsión de cruce a la salida
Para que la potencia sea máxima, iP = VCC/R , con lo que nos queda un rendimiento del
Fig. 5: Amplificador en clase AB
Ec. 9 Como se observa en la gráfica anterior, la tensión en RLoad presenta una anomalía en la onda de salida del circuito. A esta forma de salida se le denomina
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corriente con alta impedancia de salida. En las clases A, B, AB y C los transistores operan en zona activa, de modo tal que la corriente de salida del elemento activo, está gobernada por la señal de RF a la entrada (o compuerta) del dispositivo. Al emplear un transistor como llave éste opera en dos estados, el de conducción (ON) y el de corte (OFF). Con esta característica la corriente de salida del dispositivo, no es gobernada por la señal de entrada, sino que queda impuesta por la carga. Esta diferencia de operación logra, valores teóricos de eficiencia del 100%, manteniendo la característica de banda angosta. Las corrientes están presentes de forma continua y la tensión colector emisor nunca es nula. Si la tensión colector-emisor o drenado fuente es nula cuando la corriente circula, no se disipara potencia alguna en el circuito (BJT). Es imposible en la práctica alcanzar el valor de eficiencia teórico porque existen pérdidas de potencia en el dispositivo, principalmente durante la conducción y durante las transiciones de corte a conducción y viceversa. Por esta razón la máxima frecuencias de uso de estos amplificadores es relativamente baja, debido al incremento de las pérdidas por conmutación.
Fig. 6: Esquemático de un amplificador en clase Amplificador en clase AB
5 AMPLIFICADOR CLASE C Los amplificadores de clase C son similares a los de clase B ya que en la etapa de salida tiene corriente de polarización cero. Sin embargo, los amplificadores de clase C tienen una región de corriente libre cero que es más del 50% del suministro total de voltaje. Los amplificadores de clase C, tampoco son prácticos para audio. Esta clase de amplificadores tiene una eficiencia de cerca del 90% en la práctica (teóricamente es del 100%). A cambio de esta gran eficiencia provocan gran cantidad de armónicos en la señal de salida.
En la fig.1.1 observamos un amplificador de RF clase D, en donde vemos un circuito sintonizado formado por Cout, Lout y la resistencia de carga como salida del amplificador. Ésta debe ser complementaria entre las llaves y evitar la conducción simultánea de los transistores, mediante un pequeño intervalo de tiempo en que ambas llaves permanezcan abiertas (denominado zona muerta de excitación entre los transistores). El amplificador clase D puede ser de corriente o tensión y la configuración típica empleada en RF es como la dada en la fig.1.1. Los transistores Q1 y Q2 trabajan como interruptores, cuando Q1 está en ON, Q2 está en OFF y al revés. Para un transistor ideal en el que ambas tensiones de saturación son nulas, no existirá caída de tensión en el transistor y el circuito se podrá modelar tal y como muestra la figura1.2.
Figura 9. Amplificador Clase C
6 AMPLIFICADOR MOSFET
CLASE
D
CON
La fuente principal de ineficiencia de los amplificadores de potencia es la potencia disipada en el transistor. Los amplificadores clase-D, emplean al dispositivo activo (transistor) como llave y no como generador de
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en el caso de usar transistores bipolares, solo hay que modelar por tensión de saturación Vsat, y en el caso de los FETs es posible modelar como en la figura mostrada abajo. La tensión a la entrada, es una onda cuadrada como la de la última figura mostrada.
Si la entrada Vi es una onda cuadrada, la tensión Va se mostrara como en la figura anterior. Va es una onda cuadrada que se puede expresar en forma de Series de Fourier, y el su componente fundamental, presenta una amplitud:
La tensión de salida es: Ec. 14
Ec. 10 Si el filtro de salida es relativamente elevado, con una frecuencia central igual a la frecuencia de salida de la señal, la corriente de drenador en el transistor será una parte de la de una senoidal de la misma frecuencia. Por tanto, la corriente de drenador es:
La corriente de drenador:
Ec. 15 La potencia suministrada:
Ec. 11 Ec. 16
y la potencia subministrada es: La potencia de salida:
Ec. 12 Ec. 17
y la potencia de salida es: El rendimiento:
Ec. 13 Ec. 18
la cual es la misma que la potencia subministrada, por lo cual el rendimiento del amplificador clase D ideal es el máximo, es decir, es del 100 %. Hasta ahora, hemos visto el planteamiento ideal para estos tipos de amplificadores. Para los transistores reales es imposible obtener un voltaje cero en saturación, pero
6.1 RENDIMIENTO Desde la aparición de la clase D los amplificadores no tienen una linealidad en la etapa de salida, el cual proporciona unos rendimientos más grandes.
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Esta alta eficiencia significa que los amplificadores pueden obtener con menos excitación la energía que consumen.
6.2 AMPLIFICADOR CLASE D CON BJT 6.3 Configuración voltaje complementario o conmutador de tensión. Como el valor medio no es cero, definimos a
En la figura 1 se muestra esta configuración, para el análisis consideraremos al circuito como ideal con dos transistores BJT, El transformador de excitación
tiene sus bobinados secundarios en contrafase, esto hace que Q1 y Q2 se energicen con corrientes que están desfasadas 180°, por lo tanto si Q1 está activo, Q2 está cortado y viceversa.
Donde S ( q) es una función de onda cuadrada, que descompuesta según Fourier es :
Cb es lo suficientemente grande para enviar a tierra
cualquier componente de corriente alterna de la señal, manteniendo un voltaje constante Vcc en el colector de Q1.
Luego:
La corriente de salida se determina por la respuesta del filtro de salida, reduciéndose a niveles despreciables todas las componentes distintas a la fundamental según el diseño lo requiera. Con un correcto filtrado la corriente de salida i0 (θ) sera:
Las corrientes de colector son medias sinusoides con valores pico
Se supone un ciclo de trabajo del 50%, esto implica que vc2(θ) es una onda cuadrada de valor Vcc para 0 < θ < π , y cero para π < θ < 2π, como se observa en la figura 4.3. La amplitud V 0max del voltaje de salida v0 (q) es:
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frecuencia de conmutación tiene que estar sobre los 40kHz. Desafortunadamente, la alta frecuencia de conmutación incluso significa disipar potencia de conmutación, también significa que la posibilidad de radiar ruido es muy alta.
La potencia de salida:
La corriente tomada de la fuente es la media de i1( θ):
Por lo tanto la potencia de entrada es: Figura 15: Funcionamiento amplificador clase D
En primer lugar, se ha de decir que la gran eficiencia que se consigue es debido a que los dos transistores están siempre operando uno u otro plenamente encendido o plenamente apagado. Hoy en día, los amplificadores clase D generalmente trabajan con señales de bajo nivel analógicas, las cuales mueven el nivel de corriente y el de voltaje lo suficiente alto para impulsar el audio al altavoz. La señal de audio analógica que se tiene a la salida, se introduce en un comparador y esta se comparara, valga la redundancia, con una señal triangular, a la salida de este obtendremos una señal cuadrada PWM. Esta salida cuadrada se dirigirá a los dos transistores del circuito, invirtiendo antes la señal y dirigir la señal que se obtiene a la salida a uno de los transistores y la invertida al otro. Como se ha dicho se usan dos transistores, pero en lugar de amplificar la señal analógica, la cual puede asumir cualquier valor, cambiara entre dos valores de voltaje, entre +40 V y – 40 V. Un transistor conectara la salida a 40 V y el otro a -40 V. Cuando está completamente apagado, toda la potencia que suministra el voltaje se suelta a través del transistor, pero ninguna corriente fluye a través debe el. En ambos casos, el producto del voltaje a través del transistor y la corriente va través de él es cero. Así que después de la amplificación, esta onda del PWM tiene que pasar a través de un filtro que permita pasar a las señales de baja frecuencia mientras que las señales de alta frecuencia son debilitadas. Este filtro paso bajo aplana el cambio de onda, suprimiendo el rápido cambio producido en la onda de salida y deja solo un su valor promedio. Al mismo tiempo se filtra el ruido de salida causado por el propio proceso de cambio de on a off.
El rendimiento:
Este resultado se debe a la acción de Swicheo (si V colector es diferente de cero, I colector es igual a cero) Las configuraciones de amplificadores clase D pueden ser: push-pull, complementaria o cuasi complementaria, semi-puente y puente. En este ensayo hemos presentado dos configuraciones complementarias y cuasi - complementaria.
7 APLICACIONES Y USOS AMPLIFICADOR CLASE D
DEL
Aunque estos tipos de amplificadores se usan mayormente para aplicaciones especiales como amplificadores de guitarras, de bajos y de amplificadores para subwoofers, en la actualidad se estan creando amplificadores de clase D, para todo tipo de aplicaciones. Con esta clase obtenemos amplificadores incluso más pequeños que los de clase AB y más eficientes, aunque están limitados para menos de 10kHz (menos del margen total de audio). Es esencial que un amplificador clase D vaya seguido por un filtro paso bajo para eliminar el ruido de conmutación. Este filtro añade distorsión y desplazamiento de fase, incluso limita las características del amplificador en alta frecuencia, y es raro que tengan buenos agudos, pero por otro lado, va a quitar todo el ruido de conmutación sin causar pérdida de potencia, desplazamiento de fase, o distorsión. Para hacer un muy buen amplificador para toda la banda de frecuencias, la
8 CONCLUSIONES
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Los amplificadores de la Clase A, B, AB tienen buenas ventajas en su uso pero también grandes desventajas como el alto consumo de potencia, además teniendo un rendimiento bajo, a diferencia de los Amplificadores de Clase C y D teniendo el amplificador de clase C un rendimiento del 90% pero no es tan efectivo como el amplificador de clase D. El amplificador clase D es el más utilizado por su eficiencia y el tamaño que es mucho más pequeño que los amplificadores antes mencionados. Los amplificadores clase D presentados son capaces de responder con eficacia para la amplificación tanto de señales analógicas (normalmente de voz para estas frecuencias) como señales digitales cada vez más empleadas en las bandas de RF (radio frecuencia), y que requieren niveles de linealidad en los transmisores similares a los exigidos para la amplificación de señales de voz.
9 BIBLIOGRAFIA
http://www.geocities.ws/jaimealopezr/Electroni ca/Amp ificadoresAltaEficiencia.pdf http://www.ing.unlp.edu.ar/electrotecnia/electr onicos2/ mpli%20alto.htm http://www.apuntesdeelectronica.com/audio/los amplificadores-clase-d.htm
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