AMPLIFICADOR CLASE A ACOPLADO TRANSFORMADOR Una forma de amplificador clase A con una eficiencia máxima de 50% emplea un transformador para acoplar la señal de salida a la carga como se muestra en la figura 163. Esta es una forma de circuito simple para el uso en la presentación de unos cuantos conceptos ásicos. !a "ue el circuito #ace uso de un transformador para aumentar el $oltae o la corriente& se presentara a continuación un resumen de la ele$ación ' la reducción de $oltae ' corriente.
Figura 163. Amplificador de potencia de audio con acoplamiento a transformador. Accion del transformador
Un transformador puede aumentar o disminuir los ni$eles de $oltae o corriente de acuerdo con la relación de $ueltas o emoinados& como se explica a continuación. Además Además la impedancia impedancia "ue se conecta al extremo de un transformador puede aparecer 'a sea aumentada o disminuida en el otro extremo del transformador. transformador. (a discusión siguiente supone una transferencia de potencia ideal )100%* del primario al secundario+ es decir no se toman en consideración las perdidas de potencia. TRANSFORMACI ON DE VOLTAJE ,omo se ilustra en la figura 16- a*& el transformador puede ele$ar o reducir un $oltae aplicado a un extremo en forma directa& segn relación de $ueltas en cada extremo. (a transformación de $oltae esta dada por/ V 2 V 1
=
N 2 N 1
)3* (a ecuaci3* muestra "ue si el n2 de $ueltas de alamre en el lado secundario es ma'or "ue en el primario& el $oltae en el lado secundario será ma'or "ue el $oltae en el lado primario.
Figura 164. Operación del transformador: a) Transformación de voltaje !) Transformación de corriente c)Transformación de impedancia.
TRANSFORMACI ON DE CORRIENTE (a corriente en el secundario es in$ersamente proporcional al n2 de $ueltas en los emoinados. (a transformación de corriente esta dada por/ I 2 N 1
I 1
=
N 2
)-* Esta relación se muestra en la figura 16- *. i el numero de $ueltas en el secundario es ma'or "ue el del primario& la corriente del secundario será menor "ue la corriente del primario. TRANSFORMACI ON DE IMPEDANCIA 4uesto "ue el $oltae ' la corriente pueden modificarse por medio de un transformador& tami én puede modificarse una impedancia 2$ista2 desde cual"uier extremo )primario o secundario*. ,omo se ilustra en la figura 16- c*& se conecta una impedancia ( a tra$és del secundario del transformador. Esta impedancia se modifica en el transformador cuando se $isualia desde el lado primario (. Esto puede mostrarse como sigue/
R L' R L
=
R 2 R1
=
V 2 / I 2 V 1 / I 1
=
V 2 I 1 V 1 I 2
=
N 2 N 2 N 1 N 1
2
N = 2 N 1
i definimos a78198:& donde a es la relación de $ueltas en el transformador& la ecuación anterior nos lle$a a/
R L' R L
=
R1 R 2
2
N = 1 = a2 N 2
)5*
;amién se puede expresar la resistencia de carga refleada para el extremo primario como/
R1
= a 2 R 2
ó R L'
= a 2 R L
)6*
EJEMPLO
2=ue relación de $ueltas de transformador se re"uiere para acoplar la carga de una oina de 16 Ω con un amplificador& de manera "ue la resistencia de carga efecti$a $ista en el primario sea de 10> Ω2
N 1 R L' 10 K = R = 16Ω = 625 ⇒ N 2 L N 1 N 2
=
625
= 25 : 1
OPERACION DE UNA ETAPA DE AMPLIFICACI ON LINEA DE CARA d!C!
(a resistencia de d.,. del de$anado del transformador determina la recta de carga d.,. para el circuito de la figura 163. 4or lo comn esta resistencia de d.,. es pe"ueña idealmente 0 Ω* ' en la figura 165 una recta de carga de 0Ω& es una recta $ertical. Esta es la l?nea de carga ideal para el transformador. (os de$anados reales del transformador son de pocos @oms& pero en este análisis solo se considerara el caso ideal. 8o #a' ca?da de $oltae d.,. a tra$és de la resistencia de carga d.,. )0 Ω*& en el caso ideal ' la l?nea de carga se diua como una recta $ertical a partir del punto de $oltae& ,E=7,,.
Figura 16". #ectas de carga para un amplificador clase A acoplada a transformador.
PUNTO DE OPERACION El punto de operación en las cur$as caracter?sticas de la figura 165 se otiene gráficamente como el punto de intersección de la l?nea de carga d.,. ' la corriente de ase estalecida por el circuito. (a corriente "uiescente de colector puede& por tanto& otenerse del punto de operación. En la operación de clase A& t éngase en cuenta "ue el punto de dolariación de d.,. estalece las condiciones para la m áxima oscilación de señal sin distorsión tanto para la corriente de colector como para el $oltae de colectorBemisor. (a señal de entrada produce una oscilación de $oltae menor "ue la m áxima posile& la eficiencia del circuito en ese tiempo será menor al :5%. El punto de dolariación d.,. es por lo tanto& importante al estalecer la operación de un amplificador de clase A alimentado en serie. RECTA DE CARA 4ara lle$ar a cao el análisis de a.,. es necesario calcular la resistencia de carga de a.,. 2$ista2 desde el primario del transformador& para luego tomar la recta de carga de a.,. en la caracter?stica del colector. (a resistencia de carga refleada (2 se calcula mediante la ecuaci6*& #aciendo uso del $alor de la carga conectada a tra$ és del secundario ( ' la relación de $ueltas del transformador. Entonces& la t áctica del análisis grafico procede como sigue. e toma la recta de carga a.,. de modo "ue pase a tra$ és del punto de operación tenga una pendiente igual a B19 ( )la resistencia de carga refleada*& lo "ue implica "ue la pendiente de la recta de carga sea el reciproco negati$o de la resistencia de carga a.,. Ad$i értase "ue la recta de carga a.,. muestra "ue la $ariación de la señal de salida puede exceder el $alor de ,,.
V CE ( p − p ) = V CE max
− V CE min
I C ( p − p ) = I C max − I C min (a potencia de a.,. desarrollada a tra$ és del primario del transformador puede& por tanto& expresarse con/ (V CE max − V CE min )( I C max − I C min ) P 0 ( ac) = 8 )* (a potencia de a.,. calculada es la "ue se desarrolla a tra$ és del primario del transformador. i se #ace la suposición de un transformador ideal )un transformador suficientemente eficiente tiene una eficiencia arria del
C0%*& la potencia entregada por el secundario a la carga es aproximadamente la "ue se calculo #aciendo uso de la ecuación *. (a potencia de a.,. de salida tami én se puede determinar empleando el $oltae suministrado a la carga.
Figura 166. Operación del amplificador de clase A con transformador acoplado.
4ara el transformador ideal el $oltae entregado a la carga se puede calcular utiliando la ecuaci3*/ V L = V 2 =
N 2 N 1
V 1
(a potencia a tra$és de la carga puede expresarse entonces como/ 2
P L =
V L ( rms ) R L
' es igual a la potencia calculada por medio de la ecuaci0c*. Al utiliar la ecuaci-* para calcular la corriente de carga se llega a/ I L = I 2 =
N 1 N 2
I C
con la potencia de a.c de salida calculada mediante el uso de/ P L = I L2 (rms) R L EJEMPLO
,alcule la potencia de a.c "ue se entrega al alta$o de D Ω para el circuito de la figura 16. (os $alores de las componentes del circuito dan como resultado una corriente de ase d.c de 6mA& ' la señal de entrada ) i* da como resultado una oscilación de la corriente pico de ase igual a -mA. El $oltae de polariación $ ,,710$ ' la relación de $ueltas es 8 198:73/1.
Figura 16$. Amplificador de clase A con transformador acoplado.
(a recta d.c se toma $erticalmente )$ éase figura 16D* desde le punto de $oltae/ V CEQ = V CC = 10v 4ara F76mA el punto de operación sore la figura 16D es/ V CEQ = 10v e I CQ = 140mA (a resistencia de a.c efecti$a $ista desde el primario es/ 2
' L
R
N 2 R ( 3 ) * 8 = 72Ω = 1 = L N 2
(a recta de carga de a.c puede& por tanto& traarse con pendiente de B19: a tra$ és del punto de operación indicado. 4ara facilitar el traado de la recta de carga& se considera el siguiente procedimiento. 4ara una oscilación de corriente de/ I C =
V CE '
R L
=
10v 72Ω
= 139mA
Figura 16%. &aracter'sticas del transistor clase A con transformador acoplado. a) &aracter'stica del dispositivo !) rectas de carga a.c ( d.c.
e maraca un punto )A*/ I CEQ + I C = 140mA + 139mA = 279mA a lo largo del e%e y. e une el punto A a tra vés del punto = para otener la recta de carga de a.c. 4ara la oscilación de corriente de ase dada de -mA pico& el $oltae de colectorBemisor ' la corriente de colector m áxima ' m?nima otenidas de la figura 16D * son/ V CE min = 1.7v I C min = 25mA
V CE max = 18.3v I C max = 255mA (a potencia de a.c suministrada a la carga se puede calcular por medio de la ecuaci*/ (V CE max − V CE min )( I C max − I C min ) ⇒ P 0 (ac) = 8 (18.3v − 1.7v)(255mA − 25mA) = 0.477 w P 0 (ac) = 8 EFICIENCIA @asta a#ora se #a considerado el calculo de la potencia a.c entregada a la carga )la potencia de a.c de salida*. A continuación de considera la potencia de entrada otenida de la ater?a las p erdidas de potencia en el amplificador ' la eficiencia de potencia total del amplificador clase A con acoplamiento a transformador. (a potencia de entrada de d.c otenida de la fuente se calcula de los $alores de $oltae d.c de la fuente ' de la corriente promedio suministrada por la misma/
P i (dc)
= V CC I CQ
)D* En el amplificador con acoplamiento a transformador la potencia disipada por el transformador es pe"ueña deida a la pe"ueña resistencia de d.c de una oina ' se ignora en el presente cálculo. Entonces& la p érdida de potencia considerada a"u? es la "ue se disipa por el transistor de potencia ' se calcula mediante/
P Q
= P i (dc) − P 0 (ac)
)C*
4ara el circuito de la figura 16 ' los resultados del anterior eemplo& calcule la potencia de entrada d.c& la potencia disipada por el transistor ' la eficiencia del circuito para la señal de entrada del eemplo anterior.
P 0 ( ac) P i ( dc)
*100% =
0.477 w 1.4w
*100% = 34.3%
