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AMPLIFICADORES DE CLASE C Y D Deleg Marco, Lucero Jonnathan, Paucar Felipe, Quichimbo Pablo y Quilambaqui Estefanía {mdelegv, jlucerop2, jpaucara, pquichimbo, equilambaquis} @est.ups.edu.ec Universidad Politécnica Salesiana para subwoofers. Estos amplificadores están limitados para menos de 10 kHz. Resumen— En un equipo de alta fidelidad, una radio o una televisión, la señal de entrada es pequeña. Después de varias etapas de ganancia de tensión, no obstante, la señal se hace grande y utiliza la recta de carga en su totalidad. En estas últimas etapas, las corrientes de colector son mucho mayores porque las impedancias de carga son mucho menores. Los amplificadores se clasifican por su clase de funcionamiento, acoplamiento entre etapas o por su rango de frecuencias. En este caso se profundizará los amplificadores clase C y D.

I.

INTRODUCCIÓN

Para profundizar los amplificadores clase C y D procedimos al estudio del circuito tanque, circuito resonante o circuito sintonizado LC. Este circuito se usa en osciladores, radios y televisión. La operación del circuito tanque involucra in intercambio de energía entre cinética y potencial. El circuito más básico consta de un condensador y un inductor. Los osciladores generan una onda repetitiva transformando una corriente continua en una corriente alterna con una determinada frecuencia. Estos circuitos se emplean en el funcionamiento de los amplificadores de clase C y D. son aptos para quienes quieran enfrentar la construcción, echo a mano o quien necesite reparar un circuito de amplificador. La mayoría de los amplificadores de clase C son amplificadores de radio frecuencia, es decir que funciona sobre los 20 kHz. La señal de entrada esta negativamente desplazada, lo que provoca estrechos pulso de corriente de colector. El circuito resonante esta sintonizado a la frecuencia fundamental, por lo que todos los armónicos superiores son filtrados. La principal ventaja de la operación en la clase D es que los transistores MOSFET de salida trabajan solo en conrte y saturación por lo que teóricamente nos e disipa potencia en forma de calor y a la eficiencia general puede ser muy alta. También conocidos como amplificadores de conmutación, este tipo de amplificadores son bastante requeridos por su muy alta eficiencia y se usan mayormente para aplicaciones especiales como amplificadores de guitarras, de bajos y de amplificadores

Tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95%, lo que reduce el tamaña de disipadores necesarios. II. OBJETIVOS Objetivo General 

Analizar el funcionamiento y estructura de los amplificadores tipo C y D previamente revisando los conceptos principales relacionados con el tema a través de la investigación grupal

Objetivos Específicos 

Interpretar la teoría del circuito tanque previo al estudio de los diferentes amplificadores de nuestro interés.



Estudiar las características y función de los elementos presentes en los amplificadores



Enfatizar los beneficios de estos amplificadores a través de los resultados obtenidos en la investigación

III. MÉTODO Autoaprendizaje a través de la investigación colectiva

IV. EQUIPOS Y MATERIALES   

Textos virtuales Multisim (programa para simulación) Navegadores web

VI. DESARROLLO

Circuito tanque. - El nombre proviene de capacidad de almacenar energía eléctrica y magnética. En su forma más básica, el circuito está formado por la conexión en paralelo de un capacitor y una bobina. Es un circuito utilizado en osciladores, aparatos de radio y televisión.

componentes en el sistema. El circuito no es una máquina de "movimiento perpetuo", y una fuente de corriente alterna constantemente debe conducir al tanque. [2]

Se utiliza para afinar y establecer una frecuencia especifica o banda de frecuencias. El efecto que produce el circuito tanque se debe a una energía aplicada en el condensador que crea un capo eléctrico entre sus armaduras. Después, el condensador se descargará a través de la bobina, creando un campo magnético. Estos dos campos serán portadores de señal [1]

Fig. 2. Forma de onda obtenida a la salida [2] A pesar de que la amplitud es decreciente, el tiempo que tarda en completarse cada ciclo es constante. La fórmula presentada a continuación es utilizada para obtener la frecuencia en este tipo de circuitos 𝑓=

1 2 ∗ 𝜋 ∗ √𝐿 ∗ 𝐶

AMPLIFICADORES DE POTENCIA Fig. 1. Circuito tanque [1] Una vez que la energía se suministra al circuito tanque, un ciclo comienza. El condensador almacena energía en su configuración de placas. En el circuito, las placas del condensador están conectadas a los extremos de la bobina inductora. Como la corriente comienza a fluir fuera del condensador (su voltaje comienza a caer) y dentro del inductor, un campo magnético se acumula alrededor de la bobina. Aunque el condensador se convertirá rápidamente en vacío de la energía, la corriente seguirá fluyendo en el inductor causado por el efecto de la energía en el campo magnético. Esta corriente empezará a devolver corriente en el condensador, aunque esta vez la polaridad (el "más" y "menos") se invertirá. El ciclo se repite, una y otra vez, en un período (de frecuencia) que está determinado por los valores de la bobina, el condensador, y un par de otros

CLASIFICACIÓN DE LOS AMPLIFICADORES Hay diferentes maneras de clasificar los amplificadores. Por ejemplo, podemos clasificarlos por su clase de funcionamiento, por su acoplamiento entre etapas o por su rango de frecuencias. FUNCIONAMIENTO CLASE C Por funcionamiento en clase C se entiende cuando circula corriente por el colector (corriente de salida) durante menos de 180O de ciclo, como se muestra en fig.7. Con el funcionamiento en la clase C, solo parte del semiciclo positivo de tensión alterna en la base produce corriente en el colector. Como resultado, obtenemos pulsos cortos de corriente de colector como los de la fig.7.

amplificador con acoplamiento directo se llama amplificador de corriente continua.

Fig.7. Corriente de colector. Clase C. [4] TIPOS DE ACOPLAMIENTO La fig.8. muestra un acoplamiento por condensador. El condensador de acoplo transmite voltaje de la señal amplificada a la siguiente etapa. La fig.9. ilustra un acoplamiento por transformador. Aquí el voltaje de la señal esta acoplada a través de un transformador con la siguiente etapa. El acoplamiento por condensador y el acoplamiento por transformador son ambos ejemplos de acoplamiento de corriente alterna con bloques de voltaje de corriente continua.

Fig.8. Tipo de acoplamiento por condensador. [4]

Fig.9. Tipo de acoplamiento por transformador. [4]

Fig.10. Tipo de acoplamiento directo. [4] RANGOS DE FRECUENCIA Otra forma de clasificar los amplificadores es atendiendo a su rango de frecuencias. Por ejemplo, un amplificador de audio define un amplificador que funcione entre los 20Hz y los 20kHz. Por otro parte, un amplificador de radio frecuencia (RF) es el que funciona por encima de los 20kHz, normalmente muy encima. Por ejemplo, el amplificador de RF en los aparatos de radio AM amplifica frecuencias entro los 535 y 1.605kHz, y el amplificador de RF en los aparatos de radio FM amplifica frecuencias entre los 88 y 108MHz. Los amplificadores se clasifican también en banda estrecha o banda ancha. Los de banda estrecha trabajan sobre pequeños rangos de frecuencia, como de 450 a 460kHz. Los de banda ancha lo hacen en grandes rangos de frecuencia, como de 0 a 1 MHz. Los amplificadores de banda estrecha son amplificadores de RF sintonizados, lo que quiere decir que su carga en alterna es un circuito resonante con un valor de Q alto sintonizado con una emisora de radio o televisión. Los amplificadores de banda ancha están normalmente desintonizados; esto es, su carga de corriente alterna es resistiva.

El acoplamiento directo es distinto. En la fig.10. existe una conexión directa entre el colector del primer transistor y la base del segundo transistor. Por esto, las tensiones alterna y continua están acopladas. La fig.11. es un ejemplo de amplificador de RF Como no hay una frecuencia mínima limite, un sintonizado. El circuito LC es resonante para algunas frecuencias. Si el circuito resonante tiene un valor de

Q alto, el ancho de banda es estrecho. La salida esta acoplada por condensador con la siguiente etapa.

La fig.13. es un amplificador con divisor de tensión en la base (PDT) “partidor de tensión”. Una forma de mover el punto Q es variando el valor de R 2 . Para La fig.12. es otro ejemplo de amplificador RF valores grandes de R 2 , el transistor entra en sintonizado. Esta vez, la señal de salida de banda saturación y su corriente viene dada por: estrecha esta acoplada por transformador con la 𝑉𝐶𝐶 siguiente etapa. 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡) =

𝑅𝐶 + 𝑅𝐸

Fig.11.Amplificador RF sintonizado (acoplamiento por condensador). [4]

Fig.12.Amplificador RF sintonizado (acoplamiento por transistor). [4] DOS RECTAS DE CARGA

Fig.13. Amplificador PDT. [4]

Fig.14. Recta de carga para corriente continua. [4] Valores muy pequeños de R 2 llevarán al transistor a la zona de corte y si tensión será:

Cada amplificador tiene un circuito equivalente para 𝑉𝐶𝐸(𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒) = 𝑉𝑐𝑐 corriente continua y otra para corriente alterna. Por ello, tiene dos rectas carga: la recta de carga para La fig.10. muestra la recta de carga con el punto Q. continua y la recta de carga para alterna. Para el funcionamiento con pequeñas señales, la posición del punto Q no es crítica. Pero con amplificadores de señal grande, el punto Q tiene que estar en la mitad de la recta de carga de alterna para conseguir la RECTA DE CARGA PARA CORRIENTE máxima oscilación en la salida. ALTERNA RECTA DE CARGA PARA CORRIENTE CONTINUA

La fig.15. es el circuito equivalente para el amplificador PDT en corriente alterna. Con el emisor a tierra R E no afecta al funcionamiento. Además, la

resistencia de colector para corriente alterna es menor que la resistencia de colector para corriente continua. Por tanto, cuando llega una señal de alterna, el punto de operación instantáneo se mueve a lo largo de la recta de carga para corriente alterna de la fig.16. En otras palabras, la corriente sinusoidal pico a pico y la tensión viene determinadas por la recta de carga para señal.

Con la clase B, necesitamos circuitos contrafase. Por esto, la mayoría de los amplificadores de clase B son amplificadores en contrafase. Con la clase C, necesitamos usar circuitos resonantes para la carga. Por ello, la mayoría de amplificadores de clase C son amplificadores sintonizados.

Ya que la recta de carga para señal tiene una pendiente mayor que la de continua, el máximo pico a pico (MPP) de la salida es siempre menor que la tensión de alimentación. Como ecuación:

FRECUENCIA DE RESONANCIA

Con el funcionamiento en clase C, la corriente de colector circula durante menos de un semiciclo. Un circuito resonante en paralelo puede filtrar los pulsos de corriente de colector y producir una señal seno 𝑀𝑃𝑃 < 𝑉𝐶𝐶 pura de tensión de salida. La principal aplicación Por ejemplo, si la tensión de alimentación es de 10V, para la clase C son los amplificadores sintonizados la salida sinusoidal máxima pico a pico es menor de de clase C es del 100 por 100. 10V. En la fig.18. muestra un amplificador sintonizado de RF. La tensión de entrada de alterna alimenta la base y aparece una tensión de salida amplificada en el colector. La señal amplificada e invertida esta acoplada por condensador a la resistencia de carga. Debido al circuito resonante en paralelo, la tensión Fig.15. Circuito equivalente para corriente alterna. de salida es máxima en la frecuencia de resonancia, [4] dada por: 𝑓𝑟 =

1 2𝜋√𝐿𝐶

En el resto de la frecuencia, la gracia de tensión cae

Fig.16. Recta de carga para corriente alterna. La mayoría de los amplificadores de clase C son amplificadores de radiofrecuencia sintonizados. La señal de entrada esta negativamente desplazada, lo que provoca estrechos pulsos de corriente de colector. El circuito resonante esta sintonizado a la frecuencia fundamental, por lo que todos los armónicos superiores son filtrados.

como muestra la fig.19. Por esta razón, un amplificador sintonizado de clase C es comúnmente usado para amplificar bandas estrechas de frecuencias. Esto lo hace ideal para amplificar señales de radio y televisión, ya que cada estación o canal este asignado a una estrecha banda de frecuencias a ambos lados de la frecuencia centralEl amplificador de clase C esta sin polarizar, como se muestra en el circuito equivalente de la fig.20. La resistencia R S en el circuito del colector es la resistencia serie de la autoinducción.

Fig.18. Amplificador sintonizado en clase C. [4]

Fig.22. El circuito equivalente para corriente alterna. [4] RECTA DE CARGA.

Fig.19. Ganancia de tensión frente a frecuencia. [4]

La fig.21. muestra las dos rectas de carga. La recta de carga para continua es aproximadamente vertical, ya que la resistencia de la autoinducción R s es muy pequeña. La recta de carga para continua no es importante, ya que el transistor no está polarizado. La que es importante es la recta de carga para alterna. Como se indica, el punto Q esta en el extremo inferior de la recta de carga. Cuando una señal está presente, el funcionamiento instantáneo mueve el punto Q hacia arriba a través de la recta de cargas hacia el punto de saturación. El pulso máximo de la corriente de colector viene dado por la corriente de saturación

VCC rc

.

DESPLAZAMIENTO DE CORRIENTE CONTIUA DE LA SEÑAL DE ENTRADA. Fig.20. El circuito equivalente para continua está sin polarización. [4]

Fig.21. Dos rectas de carga. [4]

La fig.22. es el circuito equivalente para alterna. La señal de entrada excita el diodo emisor, y los pulsos de corriente amplificada llegan al circuito resonante. En un amplificador de clase C sintonizado, el condensador de entrada es causante del desplazamiento negativo. Por esta razón, la señal que aparece en el emisor esta negativamente desplazada. La fig.23. ilustra este desplazamiento negativo. Solamente los picos positivos de la señal de entrada llegan al diodo emisor. Por esta razón, la corriente de colector circula en pulsos cortos como los de la fig.24.

La señal de entrada en un circuito de clase C se amplifica obteniendo grandes potencias de salida con un rendimiento aproximado del 100 por 100. ECUACIONES UNIVERSALES Fig.23. Señal de entrada desplazada negativamente en la base. [4]

Algunas de las ecuaciones utilizadas para la clase A con también aplicables a la clase B y C. A continuación, se ofrece una lista de ecuaciones que se pueden aplicar a todas las clases de funcionamiento: 𝐺=

𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑖𝑛

𝑃𝑜𝑢𝑡 =

Fig.24. La corriente de colector fluye en pulsos. [4] EJEMPLO

(ganancia de potencia)

2 𝑉𝑜𝑢𝑡 8𝑅𝐿

(potencia de salida para alterna)

𝑃𝑜𝑢𝑡(𝑚𝑎𝑥) =

𝑀𝑃𝑃2 8𝑅𝐿

(máxima potencia de salida

para alterna) 𝑃𝑑𝑐 = 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝑑𝑐 corriente continua) 𝑛=

𝑝𝑜𝑢𝑡 𝑝𝑑𝑐

∗ 100%

(potencia de entrada para

(rendimiento)

ANCHO DE BANDA El ancho de banda (BW) de un circuito resonante viene definido como: Fig.25. Esquema. [4] La señal de colector esta invertida debido a la conexión de CE. La corriente continua o diferencia de tensión de la onda del colector es de +15V sobre la tensión de alimentación. Por lo tanto, la tensión de colector pico a pico es de 30V. Esta tensión estaba acoplada por condensador a la resistencia de carga. La tensión de salida final tiene un pico positivo +15V y un pico negativo -15V. ECUACIONES DE LA CLASE C Un amplificador de clase C sintonizado se usa normalmente como amplificador de banda estrecha.

𝐵𝑊 = 𝑓2 − 𝑓1 donde f1 = frecuencia de potencia media inferior.

f2 = frecuencia de potencia media superior. La frecuencia de potencia media es igual a la frecuencia en la cual la ganancia en tensión es 0,707 veces la ganancia máxima, como se muestra en la fig.26. A menor BW, se estrechará el ancho de banda del amplificador. Con la ecuación BW = f2 − f1 es posible conseguir esta nueva ecuación para el ancho de banda: 𝐵𝑊 =

𝑓𝑟 𝑄

Donde Q es el factor de calidad del circuito. La ecuación BW =

fr Q

nos dice que el ancho de banda es

inversamente proporcional a Q. A mayor valor de Q en el circuito, menor ancho de banda. Los amplificadores de clase C casi siempre tienen un circuito donde Q es mayor que 10. Esto quiere decir que el ancho de banda es menor que 10 por 100 de la frecuencia de resonancia. Por esta razón, los amplificadores de clase C son amplificadores de banda estrecha. La salida de un amplificador de banda estrecha es una tensión sinusoidal grande en resonancia con rápidas caídas cuando no está en resonancia.

Este indica que el circuito esta correctamente sintonizado, ya que alcanza la máxima impedancia en este punto.

Fig.27. La corriente disminuye en la frecuencia de resonancia. [4] RESISTENCIA DE COLECTOR PARA CORRIENTE ALTERNA Cualquier autoinducción tiene una resistencia Rs, como se indica en la fig.28(a). El valor de Q para autoinducción está definido como:

Fig. 26. Ancho de Banda. [4] CAIDA DE CORRIENTE PARA RESONANCIA Cuando un circuito LC esta en resonancia, la impedancia de carga para alterna para la corriente de colector es máxima y puramente resistiva. Por tanto, la corriente de colector es mínima en resonancia. Por arriba y debajo de la resonancia, la impedancia de carga de alterna decrece y la corriente de colector aumenta.

𝑄𝐿 =

𝑋𝐿 𝑅𝑆

Donde QL = factor de calidad de la bobina XL = reactancia inductiva R S = resistencia de la bobina Recordar que este valor de Q solamente para la autoinducción. El circuito completo tiene una Q menor, ya que incluye el efecto de la resistencia de carga.

La resistencia en serie de una autoinducción puede Una forma de sintonizar un circuito LC resonante es ser sustituida por una resistencia en paralelo R , p observado las disminuciones de corriente continua como se muestra en la fig.28(b). Cuando Q es mayor suministradas al circuito, como se muestra en la que 10, esta resistencia equivalente viene dada por: fig.27. La idea básica es medir la corriente Idc de la fuente de potencia cuando el circuito esta 𝑅𝑝 = 𝑄𝐿 𝑋𝐿 sintonizado (variando L o C). Cuando el circuito se pone en resonancia para una frecuencia de entrada, la lectura del amperímetro caerá al valor mínimo.

𝐷=

𝑊 𝑇

donde D=ciclo de trabajo W=anchura del pulso (a)

T=periodo el pulso

(b) Fig.28. (a) Resistencia serie equivalente para la autoinducción. (b) resistencia paralelo equivalente para la autoinducción. [4] (a) En la fig.28. XL cancela a XC en el punto de resonancia, quedando solo RP en paralelo con RL. Por ello, la resistencia vista desde el colector es resonancia es: Rc = Rp || RL

El valor de Q para el circuito total viene dado por: 𝑄=

𝑟𝑐 𝑋𝐿

(b) Fig. 29. Ciclo de trabajo. [4]

Tan pequeño será el ciclo de trabajo como sean En este circuito, Q es menor que QL , factor de estrechos los pulsos comparados con el periodo. Un calidad de la bobina. En la practica, en los amplificador típico de clase C, tiene un ciclo de amplificadores de clase, el valor de QL es trabajo pequeño. De hecho, el rendimiento de un típicamente 50 0 mayor. Como el valor de Q total es amplificador clase C aumenta cuando el ciclo de trabajo disminuye. 10 o mas, el funcionamiento es de banda estrecha.

CICLO DE TRABAJO

ÁNGULO DE CONDUCCION

Una breve excitación del diodo emisor en cada pico positivo produce estrechos pulsos de corriente de colector. Con pulsos como estos, es conveniente definir el ciclo de trabajo como:

Una forma equivalente de estudiar el ciclo de trabajo es usando el ángulo de conducción ø. 𝐷=

ø 360𝑜

Fig.30. Ciclo de trabajo (nomenclatura). [4] Por ejemplo, si el pulso es de 0.2us, y un periodo de 1.6us, el ciclo de trabajo es: 𝐷=

0,2𝑢𝑠 = 0,125 1,6𝑢𝑠

Fig.33.Disipacion de potencia en el transistor. [4] La potencia de disipación en el transistor depende del ángulo de conducción, esta se incrementa cuando el ángulo está por encima de 180o. Se calcula como: 𝑀𝑃𝑃2 𝑃𝐷 = 40𝑟𝑐

Fig.31. Ciclo de trabajo (ángulo). [4] Por ejemplo, si ø es de 18o, el ciclo de trabajo es: 𝐷=

18𝑜 = 0,05 360𝑜

DISIPACIÓN DE POTENCIA EN EL TRANSISTOR

RENDIMIENTO DE LA ETAPA En la fig.34, se observa el rendimiento óptimo para la etapa, varia con el ángulo de conducción, Cuando el ángulo de conducción es 180o, el rendimiento de la etapa es de 78,5%. Cuando el ángulo de conducción disminuye el rendimiento aumenta.

La clase C tiene un rendimiento máximo de 100% Para un amplificador clase C el ángulo de cuando se acerca a ángulo de conducción muy conducción ø, es muy inferior a 180o. pequeños.

Fig.32.Ángulo de conducción. [4] La corriente de colector alcanza un valor máximo de IC(sat) . El transistor debe tener en sus características un pico de corriente superior a ello.

Fig.34.Rendimiento. [4] EJEMPLO

𝑸 = 𝟏𝟑, 𝟑 

Ancho de Banda

𝐵𝑊 =

𝑓𝑟 5,19𝑀ℎ𝑧 = 𝑄 13,3

𝑩𝑾 = 𝟑𝟗𝟎𝑲𝐡𝐳 

𝑃𝐷 =

Ejemplo. Si QL vale 100. Cuál es el ancho de banda del amplificador de la figura? Y el Peor caso de disipación de potencia?

 𝑓𝑟 =

Frecuencia de Resonancia

Potencia Disipada 𝑀𝑃𝑃2 40𝑟𝑐

𝑀𝑃𝑃 = 2𝑉𝑐𝑐 = 2 ∗ 15𝑉 = 𝟑𝟎𝑽𝑷 𝑃𝐷 =

(30𝑉)2 𝑀𝑃𝑃2 = = 𝟐𝟔𝒎𝑾 40𝑟𝑐 40 ∗ 867Ω

SIMULACIONES

1 2𝜋√2𝑢𝐻 ∗ 470𝑝𝐹

𝒇𝒓 = 𝟓, 𝟏𝟗𝑴𝒉𝒛 

Reactancia Inductiva

𝑋𝐿 = 2𝜋𝑓𝐿 = 2 ∗ 𝜋 ∗ 5,19𝑀ℎ𝑧 ∗ 2𝑢𝐻 𝑿𝑳 = 𝟔𝟓, 𝟐𝛀



Resistencia en paralelo

Simulación del circuito. CICLO DE TRABAJO.

𝑅𝑝 = 𝑄𝐿 ∗ 𝑋𝐿 = 100 ∗ 65,2Ω 𝑹𝒑 = 𝟔, 𝟓𝟐𝛀 

Resistencia de colector

𝑟𝑐 = 𝑅𝑝 ∥ 𝑅𝐿 = 6,52Ω ∗ 1𝐾Ω 𝒓𝒄 = 𝟖𝟔𝟕𝛀  𝑄=

Factor de calidad del circuito

𝑟𝑐 867Ω = 𝑋𝐿 65,2Ω

Anchura del pulso del circuito.

de un intervalo continuo de valores de entrada. Otra diferencia de la clase D es que utiliza principalmente sólo transistores MOSFET. La letra D se utiliza para describir el siguiente tipo de operación de polarización posterior a la clase C, pero también se podría considerar como la inicial de “Digital”, ya que es la naturaleza de las señales dadas por este tipo de clase. Periodo del pulso. Calculo para de trabajo. 𝐷=

30,4976𝑛𝑠 = 𝟎, 𝟏𝟓𝟖𝟔 = 𝟏𝟓. 𝟖𝟔% 192,2151𝑛𝑠

Los amplificadores clase D son muy deseados ya que teóricamente logran una eficiencia del 100% y en la práctica logran alcanzar más de un 90% de eficiencia. Pero, es necesario convertir toda la señal de entrada a una forma de pulso antes de utilizarla a una carga de potencia y convertir la señal de regreso en una señal sinusoidal para volver a recuperar la señal original.

Amplificación con circuito de resonancia.

Fig. 35. Amplificador de audio clase D básico. [6]

Forma de onda a la salida acoplada con el colector.

AMPLIFICADOR CLASE D El amplificador clase D se diferencia principalmente de las otras clases porque sus transistores de salida se encienden y apagan en respuesta a una entrada analógica, en lugar de operar linealmente a lo largo

En la Figura 35 se muestra un diagrama de bloques básico para un amplificador clase D usado para excitar un altavoz que consiste en un modulador por ancho de pulso que excita a los transistores de salida complementarios (MOSFET), que operan como interruptores seguidos por un filtro pasabajos. La mayoría de los amplificadores clase D opera con fuentes de alimentación de doble polaridad. Los MOSFET son básicamente amplificadores push-pull que operan como dispositivos de conmutación, en lugar de como dispositivos lineales, como lo hacen en los amplificadores clase B.

MODULACIÓN POR ANCHO DE PULSO (PWM) Es un proceso en el que convierte la señal de entrada en una serie de pulsos que varían dependiendo de la amplitud de la señal que entra. Como se muestra en la figura 36.

conmutación. La potencia suministrada a una carga puede ser muy alta ya que a través de ella habrá un voltaje casi igual a los voltajes de fuente y una alta corriente. Según lo dicho anteriormente, teóricamente la potencia disipada por los transistores cuando están encendidos seria: PDQ  VQIL  (0V )IL  0W Y cuando los transistores se encuentran apagados su potencia disipada seria: PDQ  VQIL  VQ (0A)  0W

Fig. 36. Onda modulada por ancho de pulso. [6] Vin = Señal de audio (rojo) Vm = Señal portadora triangular (azul) Vd = Señal modulada en PWM La señal PWM en general se produce con un circuito comparador. Un comparador tiene dos entradas y una salida. La entrada marcada con + se llama entrada no inversora y la entrada marcada con - es la entrada inversora. Cuando el voltaje en la entrada inversora sobrepasa el voltaje de la entrada no inversora, el comparador cambia a su estado de salida saturado negativo, cuando el voltaje en la entrada no inversora sobrepasa el voltaje de la entrada inversora, el comparador cambia a su estado de salida saturado positivo. Cada transistor cambia entre el estado encendido y el estado apagado, pero nunca se encuentran en el mismo estado. Cuando un transistor está encendido hay muy poco voltaje a través de él, esto quiere decir que es muy poca la disipación de potencia que se presenta en el aun así transite mucha corriente por este. Cuando un transistor está apagado, no hay paso de corriente a través de él, por lo que no se disipa potencia. La única ocasión en que se disipa potencia en los transistores es durante el corto tiempo de

La eficiencia máxima del amplificador clase D seria:

𝑛

𝑚𝑎𝑥=

𝑃𝑠𝑎𝑙 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

Donde, idealmente, la potencia que llega a la carga es: 2VQIL 1 n max  2VQIL  0W Es esencial que vaya seguido por un filtro pasobajo para eliminar el ruido de conmutación. Para hacer un muy buen amplificador para toda la banda de frecuencias, la frecuencia de conmutación tiene que estar sobre los 40 kHz y esta debe ser superior al ancho de banda de la señal al menos 10 veces. FILTRO PASA BAJO Cuando la forma de onda triangular modula la onda sinusoidal de entrada, resulta un espectro, el cual contiene la frecuencia de onda sinusoidal, fentrada, más la frecuencia fundamental de la señal moduladora triangular, FM y frecuencias armónicas por encima y por debajo de la frecuencia fundamental. Estas frecuencias armónicas se deben a los rápidos tiempos de subida y caída de la señal PWM y a las áreas planas entre los pulsos. El filtro pasa bajo elimina todo de la señal

modulada por ancho de pulso, excepto la frecuencia de la señal de entrada, como se observa en la Figura 39.

VCC 5V

V1 120Vrms 2000Hz 0°

Q1 100u 100u

U1

2

L1 0.01H

C1 10µF

Q2 100u 100u

R1 2kΩ

VDD -5V

Fig. 39. Filtro paso-bajas. [7]

Fig. 41. Amplificador clase D

Fig. 40. Circuito básico del amplificador clase D [8] Fig. 42. Forma de onda en la salida

Formulas:

Aplicamos la fórmula para calcular el rendimiento: 8𝑉𝐶𝐶 2 𝑃𝑖 = (2 ∗ 𝑉𝐶𝐶 ∗ 𝐼𝐷 ) = 2 𝜋 ∗ 𝑅𝐿

𝑃𝑂 =

2 8𝑉𝐶𝐶 2 𝑅𝐿 𝑅𝐿 ∗ = ( ) 𝜋 2 ∗ 𝑅𝐿 (𝑅𝐿 + 𝑅𝑂𝑁 )2 𝑅𝐿 + 𝑅𝑂𝑁

𝑛=

𝑅𝐿 𝑅𝐿 + 𝑅𝑂𝑁

𝑛=

2𝑘 2𝑘 + 0.07

𝑛 = 0.99 𝑛 = 99%

Aplicamos las fórmulas para calcular las potencias: 𝑅𝐿 𝑛= 𝑅𝐿 + 𝑅𝑂𝑁

8𝑉𝐶𝐶 2 𝑃𝑖 = 2 𝜋 ∗ 𝑅𝐿 𝑃𝑖 =

EJERCICIO PROPUESTO

8𝑉𝐶𝐶 2 𝜋 2 ∗ 𝑅𝐿

𝑃𝑖 = 54.06[𝑊]

2 𝑅𝐿 𝑃𝑂 = ( ) 𝑅𝐿 + 𝑅𝑂𝑁

𝑃𝑂 = (

2 2𝑘 ) 2𝑘 + 0.07

𝑃𝑂 = 0.99 [𝑊]

This class of amplifiers are mostly radio frequency. The signal input signal is negatively displaced, which causes narrow current pulses. One of the greatest applications of this type of amplifier is for the transmission of TV signals.

VlI. CONCLUSIONES



Una vez revisado la teoría y el funcionamiento del Circuito Tanque nuestra conclusión respecto al tema: El circuito tanque es empleado principalmente para "afinar" una frecuencia específica o banda de frecuencia, este circuito por lo general esta orientado a osciladores, aparatos de radio y televisión.

Class D amplifiers are the most efficient because they operate with digital signals, a low pass filter is necessary so that the loudspeaker is not saturated or the switching noise is produced. VIl. RECOMENDACIONES

Previo a la utilización de los amplificadores



Esta clase de amplificadores la mayor parte son de radiofrecuencia. La señal señal de entrada esta negativamente desplazada, lo que provoca estrechos pulsos de corriente. Una de las mayores aplicaciones de este tipo de amplificadores es para la transmisión de señales de TV.



Los amplificadores clase D son los más eficientes debido a que opera con señales digitales, es necesario un filtro paso bajo de manera que no se sature el altavoz ni se produzca el ruido de conmutación.

estudiados en este tema se recomienda analizar todos los procesos y componentes que se encuentran en cada etapa para así obtener el resultado esperado dependiendo de la necesidad requerida por el usuario, se recomienda esta clase de amplificadores, que se puede encontrar en circuitos de audio TV y radio, ya que ofrecen una calidad de sonido potente y de muy buena calidad, es importante dar prioridad a los pequeños circuito que se encuentran integrados en los amplificadores, ya que estos son los que dan funcionamiento a cada amplificador,

VIlI. BIBLIOGRAFÍA

Once reviewed the theory and the operation of the Tank Circuit our conclusion regarding the subject: Bibliografía The tank circuit was mainly used to "tune" a specific frequency or frequency band, this circuit is usually oriented to oscillators, radio [1] À. Araguz, «Equipos de imagen,» 2010/2013. [En línea]. Available: and television sets. https://sites.google.com/site/equiposdeimageng

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CALIFICACIONES INDIVIDUALES

Deleg Marco

11

Lucero Jonnathan

9

Paucar Felipe

10

Quichimbo Pablo

12

Quilambaqui Estefanía

8