Amplificadores de potencia

1 Introducción Definición: etapa de salida de un amplificador, cuyo objetivo es entregar la máxima potencia a la carga, con la mínima distorsión y con rendimiento máximo, sin sobrepasar ni en las condiciones más desfavorables de funcionamiento, los límites máximos permitidos de disipación de potencia de los elementos empleados. Clasificación de los amplificadores Según la frecuencia de la señal a amplificar: de C.C.: entre 0 y algunos hercios. de Audiofrecuencia: 20Hz – 20KHz. de Radiofrecuencia: 20KHz – ?00 MHz. de Videofrecuencia: (de banda ancha), entre 30Hz y 15MHz. AMPLIFICADORES DE POTENCIA

2 Según el funcionamiento de los transistores de salida Lineales: los transistores trabajan en zona lineal. De conmutación: los transistores de salida trabajan en conmutación (Off – On). Según el punto Q: CLASE A CLASE B CLASE AB CLASE C CLASE D

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4 Tipos de distorsión Definición: Deformación que sufre la señal de salida con respecto a la señal de entrada. Distorsión de Fase: Las componentes de una señal sufren distintos desplazamientos de fase a medida que van atravesando las etapas del amplificador, provocadas por los elementos capacitivos e inductivos que forman parte del sistema. Distorsión de Frecuencia: La ganancia de los amplificadores no es la misma para todas las frecuencias (respuesta en frecuencia no plana), por lo que la señal de salida presentará deformaciones con respecto a la de entrada. Son provocadas por los elementos capacitivos e inductivos. En general, éstas distorsiones aparecen conjuntamente en distors. fase y frecuencia.

5 Distorsión de amplitud: Aparecen por la alinealidad de los componentes de los amplificadores. La ganancia de los amplificadores no es la misma para todas las amplitudes de la forma de onda de la señal de entrada, por lo que pueden aparecer amplificaciones o recortes desproporcionados en la señal de salida. La distorsión de amplitud en función de la señal de entrada: armónica: Para una señal de entrada senoidal pura, el amplificador añade frecuencias armónicas de la frecuencia de la señal de entrada, que se unen a ésta, alterando su forma. intermodulación: Cuando a la entrada de un amplificador aplicamos simultáneamente dos señales de distinta frecuencia a la salida aparecen además de éstas, otras frecuencias no relacionadas armónicamente con ellas. Para dos señales de entrada (f1, f2), se obtienen a la salida señales: (f1, f2, 2f1, 2f2, … nf1, …nf2, f1+f2, … n(f1+f2), f1-f2, etc.).

6 Distorsión armónica:

7 Distorsión intermodulación:

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9 Cálculo de la distorsión armónica Teorema de Fourier: cualquier señal periódica puede descomponerse en señales sinusoidales cuyas amplitudes sumadas algebráicamente dan como resultado la forma de onda de la señal periódica, con la particularidad de que la frecuencia de estas ondas sigue un orden armónico.

10 Amplificadores de Potencia Clase A

11 Clase A con acoplo directo a la carga Recta de carga estática = dinámica. Situaremos Q en el centro de éstas rectas para que la excursión de la corriente de salida sea máxima. Sin señal de entrada la disipación de potencia en transistor es máxima

12 Para obtener 4 w en la carga, debemos diseñar una fuente de 16 w y elegir un transistor de 8 w.

13 wt = 0 ? iC = Icmáx wt = ?/2 ? iC = ICQ wt = ? ? iC = ICmín B0 = -0,025mA B1 = -0,62mA B2 = -0,025mA Cálculo distorsión armónica

14 Introducción La configuración en contrafase o push-pull, se emplea en los casos en los que la potencia necesaria en la carga es superior a la que puede entregar un único transistor. Amplificadores de Potencia en Contrafase Típica configuración contrafase (en desuso)

15 Características: Empleo de dos transistores excitados con señales iguales, desfasadas 180º. El primario del trafo de salida está recorrido por corrientes iguales y de sentido contrario ? en ausencia de señal alterna, el flujo resultante a través del trafo = 0. La fuente de alimentación no necesita filtrado riguroso. Se eliminan los armónicos pares, reduciéndose la distorsión. La potencia de salida es mayor que en el caso con un único transistor.

16 Amplificador Clase A en contrafase Rendimiento máximo clase A acoplo transformador 50%

17 Amplificador Clase B en contrafase Características y funcionamiento: El amplificador trabaja con polarización al corte. En ausencia de señal de entrada la pérdida de potencia despreciable. Se obtienen potencias superiores a las conseguidas con la clase A, y los rendimientos pueden llegar al 78.5%. La principal desventaja es que tiene mayor distorsión que la clase A. Configuración clásica utilizada eliminando los transformadores de entrada y salida

18 Caracteristica de transferencia

19 supuesta Vmáx = Vcc la potencia disipada en el colector es cero en reposo y aumenta con la excitación

20 La potencia disipada en los transistores es: Supuesta Vmáx = Vcc la expresión se transforma en: Potencia que disiparán los dos transistores cuando la potencia en la carga sea máxima. El valor de Vmáx que hace que la potencia disipada en los transistores sea máxima es: Resumiendo: la potencia disipada = 0 sin señal (Vmáx = 0); llega al máximo cuando Vmáx = 0.636 Vcc.

21 Relación de Potencias Para entregar 10W con un amplificador en contrafase clase B, la potencia máxima disipable PDmáx = 4W: los transistores deberán disipar cada uno 2W aproximadamente.

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24 Si suprimimos una de las fuentes de alimentación y añadimos un condensador de gran capacidad, la excursión máxima de salida se reduce a Vcc/2: 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 en la amplitud de salida. El punto está especificado por la expresión:

25 Sea el amplificador clase B en contrafase de la figura. Cuando se excita con una señal Ve = A senwt, se pide: a.-) Potencia máxima de la señal de salida. b.-) Disipación de potencia en cada transistor y rendimiento de la conversión de potencia para la condición expresada en el apartado anterior. c.-) Máxima disipación de potencia en los transistores y rendimiento de la conver-sión de potencia para estas condiciones. d.-) Sustituir la fuente doble simétrica por una sola fuente de alimentación. ¿Qué valor debe tener ésta para obtener la misma potencia en la carga?. Datos: UC = 15V; RL = 4?. Nota: Considerar comportamiento ideal del sistema.

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27 Distorsión: La principal fuente de distorsión es la debida a la alinealidad de las características de entrada de los transistores. Se conoce como distorsión de cruce (crossover). Si aplicamos 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 (V? ? 0.5… 0.7V para el Si).

28 Reducción de la distorsión mediante realimentación: Para ello, se introduce un lazo de realimentación y un preamplificador con una gran ganancia en lazo abierto (A.O.). ¿Sabrías deducir y comentar porqué esta configuración reduce la distorsión?

29 Reducción de la distorsión mediante realimentación: Señal de entrada y salida Función tranferencia sin realimentación Función tranferencia con realimentación

30 Amplificador Clase AB en contrafase Características y funcionamiento: La distorsión de cruce que se produce en clase B contrafase, se elimina si previamente polarizamos ligeramente los transistores ? la señal de entrada oscilará en torno a un nivel de polarización ? 0. Este modo de funcionamiento se caracteriza porque la corriente de salida circulará > ½ ciclo y < de un ciclo completo. Se encuentra entre las clases A y B.

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32 Con señal de entrada senoidal, durante el 1er semiciclo conduce T1. Cs se carga a Vcc/2. Durante el semiciclo negativo de la tensión, el Cs se descarga, alimentando al transistor T2. El inconveniente a la hora de evitar la distorsión de cruce es un pequeño consumo de potencia en ausencia de señal ? reducción del rendimiento. Diseño: Se incorpora Cs para no emplear dos fuentes de alimentación. Los diodos proporcionan la polarización a las bases de los transistores, además de establilidad térmica frente a variaciones de temperatura. Estos diodos deben tener características similares a las del transistor y se deben montar en el mismo disipador.

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34 El diseño del amplificador requiere conocer la resistencia del diodo en directo (< 100? habitualmente). También es importante que la corriente de polarización del diodo sea bastante grande para mantener los diodos en la zona lineal de su región de polarización directa para todas las tensiones de entrada.

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36 Un método alternativo, menos riguroso que el anterior es el siguiente: CS será de gran capacidad, de forma que su reactancia es despreciable a las frecuencias de trabajo en las que nosotros lo vamos a usar. La potencia de salida viene dada por: La máxima potencia disipada por los transistores (PDmáx): Para la determinación del punto de trabajo nos basamos en el concepto de espejo de corriente, cuya conclusión es que las corrientes a través de la resistencia R1 y de colector son equivalentes: IR1 ? IC. VCEQ = VCC / 2

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38 Servoamplificadores Introducción: Es la etapa de potencia encargada de actuar sobre un servomotor efectuando control de velocidad o posición. Básicamente hay dos tipos: lineales (los transistores bipolares trabajan en la zona lineal) y PWM (los transistores bipolares o Mosfet trabaja en conmutación).

39 Servoamplificador controlado por corriente: vs = im ? Rs. Finalmente, la corriente que circula por el motor, en función de la tensión de entrada es: m = par instantáneo im = corriente por el motor KT = constante del par del motor

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