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• Sandra Chacha

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA 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, sin sobrepasar ni en las condiciones más desfavorables de funcionamiento, los límites máximos permitidos de disipación de potencia de los elementos empleados.

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Electrónica de Señal

Señal

Señal tratada

Entrada

Salida Fuente auxiliar de potencia

• Amplificación • Ganancia

Electrónica de Potencia

Potencia

Potencia modif icada

Entrada

Salida Señal de cebado

• Conversión • Rendimiento

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE 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 ausencia de señal de entrada, la distorsión es muy elevada  El rendimiento teórico máximo es del 78.5%; en la práctica se obtiene entre el 50% y el 65%.  Admiten señales de entrada de mayor amplitud que en clase A. 

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RELACIÓN DE SALIDA DE LAS CLASES DE AMPLIFICADORES

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RECTAS DE CARGA DINÁMICAS Y ESTÁTICAS

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LA SEÑAL DEL AMPLIFICADOR DE CLASE B

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CLASE B EN CONTRAFASE Ó PUSHPULL 

Utiliza dos transistores, uno NPN y otro PNP (simétricos complementarios), en contrafase que conducen alternativamente en función de si la señal de entrada es positiva o negativa (de ahí el nombre de push-pull)

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FORMAS DE ONDA PARA UN ÚNICO TRANSISTOR, POLARIZADO EN CLASE B

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RECTA DE CARGA COMPUESTA UTILIZADA PARA EL DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR CLASE B EN CONTRAFASE

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CARACTERÍSTICA DE TRANSFERENCIA EN LA ETAPA DE SALIDA CLASE B

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POTENCIA DE ENTRADA (CD) 

La potencia entregada a la carga por un amplificador se extrae de la fuente de alimentación (o fuentes de alimentación) que proporciona la entrada o potencia de cd. La cantidad de esta potencia de entrada se calcula con

𝑃𝑖 𝑐𝑑 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝑐𝑑 

donde 𝐼𝑐𝑑 es la corriente de cd o promedio extraída de las fuentes de alimentación. En cualquiera de los dos casos, el valor de la corriente promedio extraída se expresa como

𝐼𝑐𝑑 

(1)

2 = 𝐼 𝑝 𝜋

(2)

donde es el valor pico de la forma de onda de corriente de salida. Al utilizar la ecuación en la ecuación de entrada de potencia obtenemos

𝑃𝑖 𝑐𝑑 = 𝑉𝐶𝐶

2 𝐼 𝑝 𝜋

(3)

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POTENCIA DE SALIDA (CA) 

Podemos calcular la potencia entregada a la carga (normalmente conocida como resistencia RL) con cualquiera de varias ecuaciones. Si utilizamos un medidor rms para leer el voltaje a través de la carga, calculamos la potencia como

𝑉𝐿2 𝑟𝑚𝑠 𝑃𝑜 𝑐𝑎 = 𝑅𝐿



(4)

Si utilizamos un osciloscopio, podemos utilizar el voltaje de salida leído pico, o de pico a pico:

𝑉𝐿2 𝑝 − 𝑝 𝑉𝐿2 𝑝 𝑃𝑜 𝑐𝑎 = = 8𝑅𝐿 2𝑅𝐿



(5)

Cuanto mayor sea el voltaje rms o de salida pico, más grande será la potencia entregada a la carga. 12

EFICIENCIA 

La eficiencia del amplificador clase B se calcula con la ecuación básica

𝑃𝑜 (𝑐𝑎) %η = 𝑥100% 𝑃𝑖 (𝑐𝑑)



Con las ecuaciones (3) y (5) en la ecuación de eficiencia se obtiene

𝑉𝐿2 𝑝 2𝑅𝐿

%η = 𝑉𝐶𝐶 

2 𝐼 𝑝 𝜋

𝜋𝑉𝐿 𝑝 𝑥100% = 𝑥100% 4𝑉𝐶𝐶

(6)

[con 𝐼 𝑝 = 𝑉𝐿 (𝑝)/𝑅𝐿 ]. La ecuación (6) muestra que cuanto más grande es el voltaje pico, más alta es la eficiencia del circuito, hasta un valor máximo cuando 𝑉𝐿 = 𝑉𝐶𝐶 , y esta eficiencia máxima es entonces

𝜋 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑚𝑎𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑥100% = 78.5% 4

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POTENCIA DISIPADA POR LOS TRANSISTORES DE SALIDA 

La potencia disipada (como calor) por los transistores de potencia de salida es la diferencia entre la potencia de entrada suministrada por las fuentes y la potencia de salida entregada a la carga,

𝑃2𝑄 = 𝑃𝑖 𝑐𝑑 − 𝑃𝑜 𝑐𝑎 

(7)

donde es la potencia disipada por los dos transistores de potencia de salida. La potencia disipada manejada por cada transistor es entonces 𝑃2𝑄 𝑃𝑄 = 2

(8)

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CONSIDERACIONES ACERCA DE LA POTENCIA MÁXIMA 

Para operación clase B, la potencia de salida máxima se entrega a la carga cuando 𝑉𝐿 𝑝 = 𝑉𝐶𝐶 2 𝑉𝐶𝐶 𝑃𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑐𝑎 = 2𝑅𝐿







(9)

La corriente de ca pico correspondiente es entonces

𝑉𝐶𝐶 𝐼 𝑝 = 𝑅𝐿

de modo que el valor máximo de la corriente de salida de la fuente de alimentación es 2 2𝑉𝐶𝐶 𝐼𝑐𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝐼 𝑝 = 𝜋 𝜋𝑅𝐿 Con esta corriente para calcular el valor máximo de la potencia de entrada, el resultado es

𝑃𝑖 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑐𝑑 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝑐𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑉𝐶𝐶

2 2𝑉𝐶𝐶 2𝑉𝐶𝐶 = 𝜋𝑅𝐿 𝜋𝑅𝐿

(10)

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

La eficiencia máxima del circuito para operación clase B es entonces

2 𝑉𝐶𝐶 𝑃𝑜 𝑐𝑎 𝜋 2𝑅𝐿 %η 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑥100% = (11) 2 = 4 𝑥100% = 78.54 𝑃𝑖 (𝑐𝑑) 2𝑉𝐶𝐶 𝜋𝑅𝐿  Cuando la señal de entrada resulta menor que la excursión de la señal de salida máxima, la eficiencia del circuito es de menos de 78.5%.  Para la operación clase B, la potencia máxima disipada por los transistores de salida no ocurre en la condición de entrada o salida de potencia máxima. La potencia máxima disipada por los dos transistores de salida ocurre cuando el voltaje de salida a través de la carga es 2 𝑉𝐿 𝑝 = 0.636𝑉𝐶𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 𝜋  Para una disipación de potencia del transistor máxima de 2 2𝑉𝐶𝐶 𝑃2𝑄 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 2 𝜋 𝑅𝐿

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FORMAS DE ONDA A SALIDA MÁXIMA PARA UN TRANSISTOR EN UNA ETAPA DE SALIDA

CLASE B

a) Corriente de colector b) Tensión colector-emisor c) Disipación de potencia instantánea en el transistor

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Amplificador de Potencia en contrafase, Clase B con simetría complementaria, utilizando una sola fuente de alimentación. El Condensador se carga durante la conducción de T1 y se descarga durante la conducción de T2.

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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. 

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DISTORSIÓN DE CRUCE En la figura se aprecia la evolución de la señal de salida, conforme aumenta el nivel de la señal de entrada. La distorsión de cruce disminuye según aumenta la entrada, pero llega un momento en que la señal se recorta como consecuencia de trabajar en la zona de saturación de los transistores.

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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 = 30𝑉, determine la potencia de entrada, la potencia de salida y la eficiencia del circuito. SOLUCIÓN:

Una señal pico de 20 V a través de una carga de 16Ω produce una corriente de carga 𝑉𝐿 𝑝 20𝑉 𝐼𝐿 𝑝 = = = 1.25𝐴 𝑅𝐿 16Ω El valor de cd de la corriente extraída de la fuente de corriente es entonces 𝐼𝑐𝑑 =

2 2 𝐼𝐿 𝑝 = (1.25𝐴) = 0.796𝐴 𝜋 𝜋

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y la potencia de entrada suministrada por el voltaje de alimentación es 𝑃𝑖 𝑐𝑑 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝑐𝑑 = 30𝑉 ⋅ 0.796𝐴 = 23.9𝑊

La potencia de salida entregada a la carga es 𝑉𝐿2 𝑝 20𝑉 2 𝑃𝑜 𝑐𝑎 = = = 12.5𝑊 2𝑅𝐿 2 16Ω para una eficiencia resultante de 𝑃𝑜 (𝑐𝑎) 12.5𝑊 %η = 𝑥100% = 𝑥100% = 52.3% 𝑃𝑖 (𝑐𝑑) 23.9𝑊

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

Para un amplificador clase B anterior, determine la potencia de entrada máxima y la disipación del transistor.

SOLUCIÓN: La potencia de salida máxima es 

2 𝑉𝐶𝐶 30𝑉 2 𝑃𝑜 𝑐𝑎 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = = = 28.125𝑊 2𝑅𝐿 2 16 Ω

La potencia de entrada máxima extraida de la fuente de voltaje es 2 2𝑉𝐶𝐶 2 30𝑉 2 𝑃𝑖 𝑐𝑑 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = = = 35.81𝑊 𝜋𝑅𝐿 𝜋 16 Ω

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La eficiencia del circuito por tanto 𝑃𝑜 (𝑐𝑎) 28.125𝑊 %η 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = 𝑥100% = 𝑥100% = 78.54% 𝑃𝑖 (𝑐𝑑) 35.81𝑊

Como se esperaba. La potencia máxima disipada por cada transistor es 2 𝑃2𝑄 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 2𝑉𝐶𝐶 2 30𝑉 2 𝑃𝑄 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 = = 0.5 2 = 0.5 2 = 5.7𝑊 2 𝜋 𝑅𝐿 𝜋 (16Ω)

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON TRANSISTOR NPN

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON TRANSISTOR PNP

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON TRANSISTOR EN CONEXIÓN PUSHPULL

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AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON TRANSISTOR EN CONEXIÓN PUSHPULL

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BIBLIOGRAFÍA 

 

 

 

AGUILAR PEÑA, J. D.; DOMENECH MARTÍNEZ, A.; GARRIDO SÁNCHEZ, J. Simulación Electrónica con PsPice. Ed. RA-MA. Madrid, 1995. AGUILAR PEÑA, J. D.; VALERO SOLAS, D. Amplificadores De potencia. Teoría y problemas. Ed. Paraninfo, Madrid 1993. GRAY, PAUL R.; MEYER, ROBERT G. Análisis y diseño de Circuitos Integrados Analógicos. Ed. Prentice Hall, cop, México 1995. RASHID, M. H. Circuitos microelectrónicos. Análisis y diseño. Thomson, 2000. RUIZ, ROBREDO, G. A. Electrónica básica para ingenieros. Dpto. Electrónica y Computadores.Facultad de ciencias, Universidad de Cantabria.

[Consulta: 21 de enero de 2005] SAVANT, C. J. et al. Diseño electrónico. Addison Wesley iberoamericana, 1992.

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