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• Yeison Harley Quintero Caballero

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AMPLIFICADORES DE `POTENCIA CLASE “ AB “ Y CLASE “ C “ OPERACION EN CLASE B La operación en clase B de un transistor quiere decir que la corriente de colector fluye sólo durante 180° del ciclo de ac. Esto implica que el punto Q se localiza aproximadamente en el punto donde se cortan las rectas de carga de cc y ac. LA ventaja de la operación en clase B es una menor disipación de potencia del transistor y un consumo reducido de corriente. Circuito en arreglo Push-Pull de simetría complementaria._ Cuando un transistor opera en clase B, recorta la mitad de un ciclo. Para evitar la distorsión resultante, se deben usar dos transistores en arreglo push-pull. Esto significa que un transistor conduce durante un semiciclo y el otro transistor conduce durante el otro semiciclo. Con los amplificadores push-pull es posible construir amplificadores de clase AB que tengan baja distorsión, potencia grande en la carga y alta eficiencia. La figura 15 muestra una forma de conectar un seguidor de emisor push-pull de clase AB, lo que se ha hecho es conectar un seguidor de emisor npn y un seguidor de emisor pnp en arreglo complementario o push-pull. Analicemos el circuito equivalente de cc mostrado en la figura 16. El diseñador selecciona los resistores de polarización para fijar el punto Q en el corte. Esto polariza al diodo del emisor de cada transistor entre 0.6 y 0.7 v, según lo que se necesita para dejar justo a punto de bloqueo el diodo de emisor. Idealmente: ICQ=0. Nótese la simetría del circuito. Puesto que los resistores de polarización son iguales, ambos diodos de emisores están polarizados con el mismo voltaje. Por lo tanto, la caída de voltaje en cada transistor es la mitad del voltaje de alimentación. O sea: VCEQ =Vcc/2

Línea de carga de cc._Puesto que no hay resistencia de cc en los circuitos de colector o emisor de la figura 16 la corriente de cc de saturación es infinita. Esto quiere decir que la recta de carga de cc es vertical como se muestra en la figura 17. Lo más difícil, al diseñar un amplificador en clase AB, es fijar un punto Q estable en el corte. Cualquier disminución significativa de V BE con la temperatura puede mover el punto Q hacia arriba de la recta de carga en cc a valores altos de corriente que son peligrosos. Suponemos que el punto Q está fijo en el corte, como se muestra en la figura 17.

Línea de carga de AC._La línea de carga de ac de un seguidor de emisor, la corriente de saturación es:Ic(sat)=IcQ+ VCEQ /Re, y el voltaje de corte de ac es.:VcE(corte)= VCEQ + IcQ Re=. En el seguidor de emisor de clase AB que se observa en la figura 1, I CQ=0, VCEQ =Vcc/2, y Re=RL; por lo que la corriente de saturación y el voltaje de corte de ac se reduce a:Ic(sat)=Vcc/2RL y VCEQ =Vcc/2.La figura 17 muestra la línea de carga de ac. Cuando cualquiera de los transistores está conduciendo, su punto de operación se mueve hacia arriba sobre la línea de carga de ac mientras que el punto de operación del otro transistor permanece en corte, la variación de voltaje del transistor en conducción puede recorrer todos los valores desde corte hasta saturación. Para la otra mitad del siclo, el otro transistor opera de la misma manera. Esto significa que la máxima

excursión de salida de un amplificador puss-pull clase AB, es igual a; Pp≈Vcc. Análisis de ac._La figura 18 muestra el equivalente de ac del transistor en conducción. La Av en un clase AB es idéntica a la de un seguidor de emisor clase A, o sea: Av = RL / (RL+r’e). La impedancia de entrada de la base, bajo condiciones de carga es: Zin(base)=ß(RL+r’e)y la impedancia de salida es: Zo=r’e + rB ∕ ß=. La Ai=ß, y la Ap=AvAi. Funcionamiento General._ Durante el semiciclo positivo de la señal de entrada, el transistor superior conduce y el inferior corta. El transistor superior actúa como un seguidor de emisor normal, de tal forma que el voltaje de salida es aproximadamente igual al voltaje de entrada. Durante el semiciclo negativo de la tensión de entrada, el transistor superior corta y el transistor inferior conduce. El transistor inferior actúa como un seguidor de emisor normal y produce un voltaje en la carga aproximadamente igual al voltaje de entrada. Durante cada uno de los semiciclos, las bases respectivas presentan una alta impedancia a la fuente, y a la carga se presenta una baja impedancia de salida. ,

Distorsión de cruce (crossover)._La figura 19 muestra el circuito equivalente de ac de un emisor seguidor push-pull en clase AB Supóngase que no se aplica polarización a los diodos emisores. Entonces, la señal de ac que se aplique debe alcanzar cerca de 0.7V para superar el potencial de barrera. Debido a esto, no circula corriente por Q1 cuando la señal de entrada es menor de 0.7V. La operación del otro semiciclo es complementaria; no circula corriente en Q 2 hasta que el voltaje de entrada de ac es mas negativa que -0.7V.Por esta razón, si no se tiene polarización aplicada a los diodos emisores, la salida de un seguidor de emisor puss-pull de clase AB se parece a la que se muestra en la figura 20. La señal se encuentra distorsionada; ya no es una señal sinusoidal, debido a la acción de recorte que se produce en cada semiciclo. Como este recorte se produce en el intervalo de tiempo en el que uno de los transistores está en corte y el otro entra en operación, se llama distorsión de cruce. Para eliminar la distorsión de cruce se requiere aplicar una ligera polarización directa a cada diodo de emisor. Esto quiere decir que el punto Q se sitúa levemente por encima del corte, como se muestra en la figura 21. Como guía, una ICQ entre el 1 y el 5 por ciento de la Ic(sat) es suficiente para eliminar la distorsión de cruce. Estrictamente hablando, se tiene operación de clase AB. Esto significa que la corriente circula en cada transistor más de 180° pero menos de 360°. Como la operación se encuentra mas cerca de la clase B que de la clase A, mucha gente se refiere al circuito como un amplificador de clase B. Distorsión no lineal._ Como se mencionó anteriormente, el amplificador de clase A trabajando con señal grande hace que un semiciclo se agrande y el otro se estreche. Una solución para esto es la minimización, la cual reduce la distorsión no lineal hasta niveles aceptables. El seguidor de emisor push-pull de clase AB reduce la distorsión aún más, puesto que los semiciclos son idénticos en forma. A pesar de que aún se produce alguna distorsión no lineal, ésta es menor que en los amplificadores de clase A. La razón de que esta distorsión sea menor se debe a que todas las armónicas pares se cancelan. Las armónicas son múltiplos de la frecuencia de entrada. Por ejemplo, si ƒ ent=1KHz, la segunda armónica es 2KHz, la tercera armónica es 3 KHz, y asi sucesivamente, Un amplificador clase A de señal grande produce todas las armónicas: ƒent’ 2ƒent’ 3ƒent’ 4ƒent’, y asi sucesivamente. Un amplificador push-pull de clase AB produce solamente armónicas nones:ƒ ent’ 3ƒent’ 5ƒent’ etc. Esta es la razón de que la distorsión sea menor en los amplificadores push-pull de clase AB . Formulas de potencia para clase AB._La potencia en la carga, disipación del transistor, consumo de corriente y la eficiencia de la etapa de un seguidor de emisor push-pull de clase AB, son muy diferentes de los de un amplificador de clase A. Potencia en la carga._La potencia de ac entregada por un amplificador push-pull de clase AB a la carga está dada por: PL(MÁX)=Pp²∕ 8RL.

Disipación de potencia del transistor._En ausencia de señal, los transistores de un amplificador push-pull de clase B están en reposo, puesto que solo circula por ellos una corriente insignificante. Por esta razón, la disipación de potencia en cada transistor es muy pequeña. Cuando se presenta una señal, ocurren fuertes variaciones en la corriente que pasa por los transistores provocando mucho más disipación de potencia. La disipación de potencia del transistor depende del porcentaje de la recta de carga de a.C. que se esté utilizando. En el peor de los casos, la disipación alcanza un valor máximo cuando se usa el 63% de la recta de carga de ac. La disipación máxima de potencia del transistor es: ΡD (máx.)= Pp² ∕ 40RL. El consumo de corriente._ El consumo de corriente de cc de un amplificador push-pull de clase AB como el de la figura 15 es: IS = I1 +I2=. Donde la I1 es la corriente de cc a través de los resistores de polarización. La I2 es la corriente de cc en el colector superior. En condiciones de ausencia de señal, I2=ICQ, y el consumo de corriente es pequeño; pero cuando se presenta la señal, el consumo se incrementa debido a que la corriente del colector superior crece. Si se utiliza toda la recta de carga de ac, el transistor superior deja pasar un semiciclo de corriente en forma de onda senoidal que tiene un valor pico de: I2 = Ic(sat) ∕ π = 0,318VCEQ ∕ RL. La potencia de cc proporcionada al circuito es: Ps=VccIs=.La eficiencia de etapa es: η = (PL (máx) /Ps) x100 ≤78.5%. POLARIZACION DE UN AMPLIFICADOR CLASE B._La dificultad más grande que se presenta para diseñar un amplificador de clase AB es la fijación de un punto Q estable cerca del corte. Polarización por divisor de voltaje._La figura 22 muestra la polarización por divisor de voltaje para un circuito push-pull de clase AB. Los dos transistores tienen que ser complementarios, lo que significa que deben tener curvas de VBE similares, capacidades nominales máximas semejantes, etc. Por ejemplo, el 2N3904 y el 2N3906 son complementarios; el primero es un npn y el segundo es un pnp; ambos tienen las mismas capacidades nominales máximas, curvas semejantes de VBE. En la figura 22, las corrientes de colector y emisor son aproximadamente iguales. Debido a la conexión en serie de los transistores complementarios, la caida de voltaje en cada uno de ellos es igual a la mitad del voltaje de alimentación. Para evitar la distorsión de cruce, fijamos el punto Q ligeramente arriba del corte, con el VBE correcto, entre 0.6 y 0.7 V, dependiendo del tipo de transistor, la temperatura, y otros factores. La hoja técnica indica que un incremento de 60mv en el VBE produce un incremento de diez veces en la corriente de emisor. Por esta razón, es muy difícil encontrar resistores que proporcionen el valor correcto de VBE. Por lo regular, se requiere de un resistor variable para fijar el punto Q correcto. Sin embargo, un resistor variable no resuelve el problema de la temperatura. Como se vio en la teoría de los transistores, para una corriente de colector dada, VBE decrece aproximadamente 2mv por cada grado de incremento. En otras palabras, el VBE que se requiere para fijar una corriente de colector en particular decrece conforme la temperatura aumenta. En la figura 22 los divisores de voltaje producen un voltaje fijo para cada diodo de emisor. De aquí que, conforme la temperatura aumenta, el voltaje fijo aplicado a cada diodo emisor fuerza a que se incremente la corriente de colector. Por ejemplo, si la VBE que se requiere decrece en 60 mv, la corriente de colector se incrementa en un factor de 10 porque la polarización fija resulta ahora excesiva en 60mv

Existe un riesgo importante que es cuando se presenta la carrera térmica. Cuando la temperatura aumenta, la corriente de colector se incrementa y este efecto es equivalente a que el punto Q se desplace sobre la línea vertical de cc. A medida que el punto Q se desplaza hacia valores mas altos también la corriente de colector aumenta, y por lo tanto la temperatura del transistor aumenta reduciendo el valor correcto de el VBE. Esta situación iterativa hace que el punto Q se vaya desplazando a lo largo de la línea de carga de cc y la “carrera” termina fatalmente cuando se llega a valores de potencia excesivos que destruyen el transistor. La carrera térmica se puede presentar, o no, dependiendo de las propiedades térmicas del transistor, de la forma de ventilación

y del tipo de disipador que se use. Polarización por diodo._Una forma de evitar la carrera térmica es el empleo de la polarización por diodo, como se muestra en la figura 23. La idea es utilizar diodos de compensación para proporcionar el voltaje de polarización a los diodos emisores. Para que la idea funcione, las curvas de los diodos de compensación deben ser iguales a las curvas de VBE del transistor. En ese caso cualquier incremento de temperatura reduce el voltaje de polarización al disminuir la caida en los diodos de compensación. Por ejemplo, supóngase que un voltaje de polarización de 0.65 V origina una corriente estática de colector de 2mA; si la temperatura se incrementa 30°C, la caida de voltaje en los diodos de compensación disminuye unos 60mV; puesto que el VBE que se requiere también decrece aproximadamente 60mV, la corriente estática de colector se mantiene en aproximadamente 2mA. Espejo de Corriente._La polarización por diodo se basa en el concepto de espejo de corriente, que es una técnica ampliamente usada en circuitos integrados lineales. En la figura 24 la corriente de base es mucho más pequeña que la corriente que fluye por el resistor y el diodo, por lo que la corriente del resistor y la del diodo son aproximadamente iguales. Si la curva del diodo fuese idéntica a la curva de VBE del transistor, la corriente del diodo sería igual a la corriente del emisor. Puesto que la corriente de colector es casi igual a la corriente de emisor, se llega a la siguiente conclusión: que la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente que fluye a través del resistor de polarización. Simbólicamente se representa así: Ic≈IR. Este es un resultado importante. Significa que se puede fijar la corriente de colector al controlar la corriente del resistor. El circuito se comporta como un espejo; la corriente que fluye a través del resistor se refleja dentro del circuito de colector. Esta es la razón por la cual al circuito de la figura 24 se le llama espejo de corriente. La fig.25 muestra un espejo de corriente pnp. Por un razonamiento similar al anterior, la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente que fluye en el resistor de polarización. Si la curva de VBE del transistor es igual a la curva del diodo, la corriente de colector es aproximada_ mente igual a la corriente en el resistor. La polarización por diodo de un emisor seguidor de emisor push-pull de clase B figura 23 cuenta con dos espejos de corriente. La mitad superior es un espejo de corriente npn, en la mitad inferior es un espejo de corriente pnp. Para que la polarización por diodos sea inmune a los cambios en temperatura, las curvas de los diodos de compensación deben ajustarse muy bien a las curvas VBE del transistor en un intervalo amplio de temperatura. En circuitos con componentes discretos esto no es facil, debido a las tolerancias de los diodos y transistores. En cambio la polarización por diodos es facil de ponerse en práctica con circuitos integrados puesto que los diodos y transistores están en el mismo integrado, lo que significa que tienen característica casi idéntica. PROBLEMAS DE EJEMPLO 1. El amplificador de la figura 26 se ajusta las R para un VBE=0,68V y una ICQ=12mA.Si la temperatura del transistor se incrementa de 25°C a 85°C. Dibújese la línea de carga de ac. ¿Cuál es el consumo de corriente de la etapa en ausencia de señal? ¿El consumo de corriente a plena señal? ¿Cuál es la máxima disipación de potencia del transistor? ¿La eficiencia de la etapa? ¿Cuál es el nuevo valor de ICQ y VBE?.

VCE(Corte)=Vcc/2=20/2=10V, ic(SAT)=Vcc/2RL=20/2.10=1Amp. (Ver figura 27 ). El consumo de corriente en ausencia de señal:IS=I1+I2=; I1= (Vcc-2VBE)/2R1=(20 – (2x0,68)) / (2x1,41K)=(18,64) / 2,82K= I1=6.609mA, e, I2=ICQ=12mA. Luego Is=6.609mA+12mA=18,609mA. El consumo de corriente a plena señal es: Is=I1+I2=; ya conocemos I1=6.609mmA e I2 =Ic(SAT.) / π =; I2=318,309mxVCEQ / RL= → I2=318,309mxVcc/2RL=; I2 = (318,309mA)x20/(2x10)=318,309mA; Is=6,609mA+318,309mA=; Is=324,918mA. La disipación de potencia del transistor es: PD (max) =P²p/40RL=Vcc²/40RL= PD (max)=(20)²/40.10=1ω. La eficiencia de la etapa es: η= (PL/max))Ps)x100; PL(max)=P²p∕ 8RL=V²cc/ 8RL → PL(max) = (20)²/ 8x10=5w Ps=Vcc.Is = 20x324,918mA=6,498ω; η= (5ω /,498ω)x100=76,942%. Los nuevos

valores de ICQ y VBE son: V’BE=0,68 - 2mVx(85°C-25°C)=0,56V ó 560mV. I’CQ=10.12mA=120mA de 25°C a 55°C; I”CQ=10x120mA=1,2 Amp. De 55°C a 85°C. También se puede calcular de la siguiente forma: I’CQ=10ⁿ. ICQ`=; donde n=(∆.Tºc) / 30=→∆.Tºc=TF -TA=;→ ∆Tºc=85ºc - 25ºc = 60ºC; n=60 / 30=2; I"CQ=10².12mA=1,2Amp. 2- En la figura 28 las curvas de los diodos son iguales a las curvas de VBE. Dibújese la línea de carga de ac. ¿Cual es el consumo de corriente de la etapa en ausencia de señal? ¿El consumo de corriente a plena señal? ¿Cual es la máxima disipación de potencia del transistor? ¿La eficiencia de la etapa? Vce(corte)=Vcc/2 =30/2=15V; Ic(sat)= Vcc /2RL=30/2*50=300mA. (Ver figura 29 ). El consumo de corriente en ausencia de señal es: Is=I1+I2 y I1=I2=ICQ por corriente de espejos I1=(Vcc-2VBE) /2RL = I1=(30-2x0,7) / 2x2,5K=5.72mA → Is = 2xI1 = 2x 5,72mA= 11,44mA. El consumo de corriente a plena señal es: Is= I1 + I2=; como ya conocemos la I1 que es igual a 5.72 mA e I2= Vcc /2*π*RL= 30/(2*π*50)=95,492mA → Is=5,72mA+95,492mA=101,212ma. La disipación de potencia del transistor es: PD(MAX)=Vcc²/40xRL= (30)²/40x50=450mω.

La eficiencia de la etapa es: η= (PL(max) / Ps)x100=. La potencia de la carga es: PL(max)= Vcc² /8xRL=; PL(max)= (30)² / 8x50= 2,25ω; Ps=30x101,212mA=3.036W; η = (2.25ω / 3.036ω) x100= 74.101%.

AMPLIFICADOR CLASE C Un amplificador clase C puede entregar más potencia a la carga que un amplificador clase AB; pero si se trata de amplificar una señal senoidal, necesita sintonizarse a la frecuencia de esa señal. Es por ello que el amplificador clase C es un circuito de banda estrecha que sólo puede amplificar la frecuencia de resonancia y aquellas frecuencias cercanas a esta. Estos amplificadores se operan siempre a radiofrecuencia (RF), o sea a frecuencias mayores de 20KHz, donde elcircuito resonante puede formarse sin necesidad de usar capacitores e inductores excesivamente grandes. Aunque son los más eficientes de todos, únicamente son útiles para aplicaciones de banda estrecha en RF. OPERACIÓN EN CLASE C._La operación en clase C se caracteriza porque la corriente de colector circula durante menos de 180° del ciclo de ac. Esto significa que la corriente de colector de un amplificador clase C no es conoidal en absoluto ya que circula en forma de pulsos. Para evitar la distorsión que resultaría sobre una carga puramente resistiva, los amplificadores clase C tienen que esperar siempre sobre un circuito tanque sintonizado que permite obtener un voltaje senoidal de salida.

AMPLIFICADOR SINTONIZADO._En la figura 30 puede verse el amplificador clase C. El circuito resonante paralelo está sintonizado a la frecuencia de la señal de entrada. Cuando el circuito tiene un elevado factor de calidad (Q), la resonancia en paralelo se presenta a una frecuencia: fr= 1/(2π√LC). A la frecuencia de resonancia, la impedancia del circuito resonante paralelo es muy elevada y puramente resistiva ( para que esta aproximaciónsea válida, se requiere que la Q del circuito sea superior a 10, suposición generalmente aceptable en los cicuitos de RF). Cuando el circuito está sintonizado a la frecuencia de resonancia en RL es máximo y senoidal.

En la figura 31 puede verse, cómo varía la ganancia de voltaje con la frecuencia. Como puede verse, la ganancia alcanza un valor máximo Av.(máx.) para la frecuencia fr. Para valores mayores y menores de esta frecuencia de resonancia la ganancia de voltaje disminuye. Cuanto mayor sea la Q del circuito, más pronunciadas serán estas disminuciones de ganancia en ambos lados de resonancia. AUSENCIA DE POLARIZACIÓN._ En la figura 32 se ha incluido el circuito equivalente de cc; se puede comprobar que el transistor no tiene polarización alguna. Su punto Q, por consiguiente, se representa en el punto de corte de la línea de carga en cc. Puesto que no hay polarización, el voltaje VBE de cc es cero y por consiguiente no puede circular corriente de colector hasta que la señal de entrada sea mayor aproximadamente 0.7V. Nótese también que la resistencia de colectores en cc es Rs; ésta es, la resistencia de cc del inductor de RF que por lo general es de unos pocos ohms. LINEAS DE CARGA._ Puesto que Rs es muy pequeña, la línea de carga de cc parece ser casi vertical en la figura 33; sin embargo no existe peligro de avalancha o carrera térmica porque el transistor no conduce más corriente que la de fuga. El punto estático de operación (Q) está en corte y no hay posibilidad de avalancha térmica. La línea de carga de ac que se obtuvo en el amplificador clase A sigue siendo valida, para un amplificador de emisor común: Ic(sat)=ICQ+VCEQ ∕ rc y VCE(corte)=VCEQ+ICQ.rc=; En el amplificador clase C de la figura 30, ICQ=0 y VCQ=Vcc. Por tanto, las ecuaciones anteriores se reducen a:Ic(sat)=Vcc ∕ rc y VCE(corte)=Vcc. En la figura 33 puede verse la recta de carga de ac. Cuando el transistor está conduciendo, su punto de operación sube sobre la recta de carga. La resistencia de ac vista por el colector es rc, al igual que antes. La corriente de saturación de ac en un amplificador clase C es Vcc ∕ rc y la variación máxima de voltaje es Vcc. CIRCUITO EQUIVALENTE EN AC._ Cuando la Q del circuito resonante es mayor de 10, se puede usar el circuito equivalente aproximado de ac que se indica en la figura 34. En este circuito, la resistencia en serie del inductor se ha incluido en la resistencia de colector. En un amplificador clase C el capacitor de entrada forma parte de un fijador (clamper) negativo de cc. Esto quiere decir que la señal de entrada a un amplificador clase C tiene un nivel fijo negativo de cc. En el lado de salida, la fuente de corriente de colector se aplica a un circuito tanque. En el punto de resonancia del circuito tanque paralelo, el voltaje pico a pico en la carga alcanza su valor máximo. El ancho de banda de un circuito resonante se define como: B=f2-f1, donde f1 es la frecuencia correspondiente al punto inferior de media potencia, y la f2 es la frecuencia correspondiente al punto superior de media potencia. El ancho de banda está relacionado con la frecuencia de resonancia y la Q del circuito por la expresión: B=Fr ∕ Q. Esto significa que una Q elevada produce un ancho de banda pequeño que equivale a una sintonía muy precisa. Los amplificadores clase C tienen casi siempre un circuito cuya Q es mayor de 10. Esto implica que el ancho de banda es menor al 10% de la frecuencia de resonancia, razón por la cual se se dice que son amplificadores de banda estrecha. La salida de un amplificador de bada estrecha es un elevado voltaje senoidal en el punto de resonancia con una caída rápida de voltaje a un lado y otro de esa frecuencia.

CAÍDA O DISMINUCIÓN DE CORRIENTE EN RESONANCIA._ Por lo general la Q de los circuitos resonantes es mayor de 10 lo que permite usar el circuito equivalente aproximado para ac de la figura 34. En este circuito la resistencia en serie del inductor está incluida en la resistencia de colector rc. Esto deja un inductor ideal en paralelo con un capacitor ideal y, cuando este circuito es resonante, la impedancia de la ac de la carga vista por la fuente de corriente del colector es puramente resistiva y de valor muy elevado, con lo que la corriente de colector pasa entonces por un mínimo. Por arriba y por abajo de la frecuencia de resonancia disminuye la impedancia de carga en ac, con lo que la corriente de colector aumenta. Si el fin es menor que la fr., el tanque presenta un efecto inductivo y la corriente de colector aumenta. Del mismo modo si fin es superior a la fr., el efecto capacitivo predomina en el tanque y la corriente de colector también aumenta. Una forma de sintonizar un circuito tanque a la frecuencia de entrada será, pues, buscar una caida de la corriente directa suministrada al circuito. En alimentación. Cuando se consiga sintonizar el

circuito tanque con la señal de entrada, la lectura del amperímetro disminuirá a un valor mínimo y esta caída será la indicación de que se ha logrado la sintonía. RESISTENCIA DEL COLECTOR DE AC._ Toda bobina o inductor tiene cierta resistencia en serie (Rs). Aunque en los esquemas nunca se representa esta resistencia como componente separado del circuito, La Q del inductor está dada por: QL=XL ∕ RS. Como se muestra en la figura 35. Debe recordarse que se está hablando de la Q de la bobina solamente. El circuito completo presenta una Q menor, porque en él hay que incluir tanto la resistencia de carga como la resistencia de la bobina. Como se ha aprendido en los cursos básico de ac, la resistencia en serie del inductor puede sustituirse por una resistencia en paralelo RP, como se muestra en la figura 36.Esta resistencia equivalente está dada por: RP=QL.XL=. Si la QL es mayor de 10, esta fórmula tiene un error menor del 1%. Con respecto a la figura 36, es importante recalcar que todas las pérdidas que se produzcan en la bobina quedan ahora representadas por la resistencia en paralelo (RP); la resistencia en serie (RS) ya no existe en el circuito equivalente. En el punto de resonancia XL se anula con XC, dejando únicamente a RP en

paralelo con RL. Esto significa que la resistencia de AC en resonancia, vista desde el colector, es: rC=RP║RL. Y la Q del circuito completo está dado por: Q=rC ∕ XL. Como se ve la Q del circuito completo resulta inferior a la Q de la bobina, Q L. En los amplificadores clase C reales, la Q de la bobina suele ser de 50 o más y la Q del circuito es de 10 o más. Por ello, el circuito resulta ser de banda estrecha. Además, puesto que la Q de la bobina es igual o superior a 50, la mayor parte de la potencia de AC entregada a la carga la absorbe la resistencia de carga y sólo una pequeña fracción se disipa en la resistencia de la bobina. FIJADOR DE NIVEL DE ENTRADA._ Véase con un poco más de detalle el efecto fijador de nivel de la entrada a la etapa. En la figura 37, puede apreciarse que la señal de entrada carga al capacitor de acoplamiento con la polaridad indicada, a un valor aproximadamente igual a Vp.

En los semiciclos positivos el diodo del emisor conduce brevemente en los picos de señal, lo que permite que el capacitor reponga la carga perdida durante todo el ciclo. La única vía de descarga durante los semiciclos negativos es a través de RB y, por tanto, el capacitor sólo perderá una pequeña parte de su carga si el período T de la señal de entrada es mucho menor que la constante de tiempo Τ(TAO)= RB.Ccin=. Para reponer la carga perdida por el capacitor, el voltaje de base debe subir ligeramente arriba de 0.7V para hacer conducir brevemente el diodo del emisor en cada pico positivo (véase la figura 37). El ángulo de conducción, tanto para la corriente de base como para la de colector es, por tanto, mucho menor de 180°. Ésta es la causa por la que la corriente de colector sea un tren de pulsos estrechos como los representados en la figura 38. FILTRADO DE ARMÓNICAS._ Toda onda no senoidal equivale a una frecuencia fundamental f, más una segunda armónica de frecuencia 2f, más una tercera armónica de frecuencia 3f, etc. En la figura 39, la fuente de corriente de colector se aplica al circuito tanque con la corriente no senoidal

de la figura 38. Si la frecuencia de resonancia del tanque es la fundamental f, todas las armónicas resultan filtradas y el voltaje en la carga resultará ser una senoidal a la frecuencia fundamental f, como se indica en la figura 40. La variación máxima de voltaje sobre la línea de carga de alterna es Vcc. Por consiguiente, bajo condiciones máximas de señal, el voltaje en la carga varía desde VCE(sat) hasta 2VCC. Puesto que VCE(sat) es prácticamente 0. la excursión máxima de salida en alterna de un amplificador clase C resulta ser: Pp≈ 2Vcc

RELACIONES DE POTENCIA EN CLASE C._ La potencia entregada a la carga, la disipación del transistor, el consumo de corriente y la eficiencia de una etapa amplificadora en clase C son diferentes de las obtenidas en las etapas de clase A o clase B. Puesto que el ángulo de conducción es menor de 180°, el análisis matemático de las potencias resulta muy complicado en los amplificadores clase C. Por lo complicado del análisis matemático solo se limitará a describir las relaciones de potencia sin demostrarlas. POTENCIA DE CARGA._ La potencia de ac en la carga de una etapa clase C está dada por PL=Vpp² ∕ 8RL=. Donde PL= potencia de ac. en la carga; Vpp=Voltaje de pico a pico en la carga; RL=Resistencia de carga. Estas relaciones son de gran utilidad cuando se dispone de un osciloscopio para medir el voltaje en la carga. La potencia en la carga es máxima cuando se usa toda la recta de carga. Puesto que el valor de la máxima excursión de salida, PP, mide el máximo valor de Vpp que se obtiene sin recortar la señal, se puede escribir la potencia máxima en la carga en función de esta excursión máxima de salida: PL(max)=PP² ∕ 8RL=. Los amplificadores clase C se usan casi siempre de forma que operen a todo lo largo de la recta de carga, con lo que se obtiene la máxima potencia en la carga y la máxima eficiencia posible en la etapa. Disipación de potencia en el transistor._En la figura 41 puede verse la forma de onda ideal del voltaje colector emisor en un amplificador transistorizado en clase C. El circuito tanque hace que se filtren todas las armónicas y se obtenga un voltaje senoidal a la frecuencia fundamental fr. Puesto que el voltaje máximo es aproximadamente 2Vcc, el transistor debe soportar voltajes de VCEQ mayores de 2Vcc. La corriente de colector en el amplificador clase C se indica en la figura 42. El ángulo ϕ de conducción es menor de 180°. Obsérvese que la corriente alcanza un valor máximo ic (sat). El transistor debe soportar corrientes de pico mayores a este valor. Las partes punteadas de la forma de onda representan el tiempo durante el cual el transistor no conduce. Se puede calcular la potencia disipada en el transistor usando las matemáticas adecuadas. Esta disipación depende del ángulo de conducción como lo indica la figura 43 y aumenta a medida que el ángulo se acerca a 180º, lo que corresponde a un clase AB. En ese punto la disipación del transistor, en el peor de los casos Pp² ∕ 40rc. Consumo de Corriente._En la figura 42 el valor promedio, o de cc, de la corriente de colector depende del ángulo de conducción. Para un ángulo de 180°C la corriente promedio es de 0.3183ic(sat). Para ángulos de conducción menor, la corriente media es menor, como se aprecia en la figura 44. Esta corriente media es la única componente que tiene que considerarse en el consumo de corriente de una etapa clase C. La potencia de CC suministrada al circuito es: Ps=VccxIs. La potencia se disipa en la carga, el transistor y la bobina. Despreciando la pequeña

potencia de ac suministrada a la entrada del amplificador: Ps=PL+PD+P(bobina). Esta potencia de cc entregada al circuito debe salir en forma de potencia en la carga y de un desperdicio de potencia en el transistor y la bobina. Eficiencia de la carga._ La eficiencia de una etapa en clase C, o rendimiento de etapa, es: η=(PL(max)∕Ps)x100= En un amplificador clase C, la mayor parte de la potencia suministrada por la alimentación se convierte en potencia de ac en la carga. Las pérdidas en el transistor y la bobina son lo suficientemente pequeñas para ser despreciadas y, por consiguiente, la eficacia de la etapa es elevada. En la figura 45 puede verse que la eficiencia optima de la etapa varia con el ángulo de conducción. Cuando el ángulo es 180°, el rendimiento de la etapa es de 78.5%, o sea el límite máximo teórico de una etapa en clase AB. Cuando el ángulo de conducción disminuye, el rendimiento aumenta. La eficiencia máxima en una etapa clase C es del 100%, valor al que se acerca el amplificador, con ángulos de conducción muy pequeños. Señal de Entrada Grande._ Para obtener una eficiencia elevada, la señal de ac de entrada tiene que ser suficientemente grande para que la variación en la salida recorra toda la recta de carga de ac El voltaje de salida tendrá así una variación pico a pico de aproximadamente 2Vcc. En ese caso el amplificador clase C permite obtener la máxima eficiencia con respecto a cualquier otra etapa, ya que entrega mas potencia a la carga, para una potencia de alimentación dada, que ningún otro tipo de amplificador. Recuérdese, no obstante, que este elevado rendimiento sólo se obtiene dentro de un ancho de banda muy angosto. PROBLEMAS DE EJEMPLO 1._El circuito de la figura l4 tiene los siguientes parámetros: L=1,5µH, C=680pF, Ccin=0.02µF; RB=10KΩ: RL=2KΩ; Vcc=15v. Si el Q de la bobina es de 180, calcúlese: La frecuencia de resonancia, la corriente de saturación de ac, el voltaje de corte de ac, el ancho de banda, la excursión máxima de salida de ac, la constante de tiempo del circuito fijador de nivel, el periodo de la señal de entrada, la máxima potencia en la carga, la eficiencia y la corriente consumida de la etapa, si la disipación de potencia en el transistor es de 0,5mw. Si la señal de entrada, tiene 10V de pico a pico ¿cuánto valdrá la caída de voltaje de cc en el diodo del emisor? Si se sintoniza el tanque con al tercera armónica ¿cuánto valdrá la frecuencia de la señal de entrada? Fr=1/(2π√1.5µHx680pF)=4’983.334MHz; Ic(sat)=15/1617,372=9,274mA; XL=2.π.4.9833M.1,5 µH = XL=46,966Ω; Rp=180x46,966=8454,027Ω; rc=8454,027//2k=1617,372Ω; VCE(CORTE)=15V; Q=1617,372/46,966=34.437; B=4.9833MHz/34,437=144,708KHz; Pp=2.15=30V;

τ(Tao)=10kΩ.0.02µF=200µs; Tin=1/4.9833MHz=200,67ns; PL(MÄX)= (30)²/(8x2k)=56,25mw;

P(BOBINA)=(30)²/8x8454,027=13,307mW; Ps=(56,25+13,307+0.5)mW=70,057mW; Is=4,67mA η=56.25mW*100/70,057mW=80,291%; Vcc(DIODO)= − 4,3v; Fin=3x4.9833MHz=14’950.003,71Hz 2._Diséñese un amplificador clase C que cumpla con los siguientes parámetros: una constante de tiempo del circuito fijador de nivel de 200µs; el período de la señal de entrada de 200ns; el ancho de banda de 200KHz; una RL=2K Ω para una QL=150. Dibujar el amplificador con el valor de cada uno de los dispositivos, si se va alimentar con fuentes de Vcc=15V y un Vf=15VPp ¿cuánto valdrá la caída de voltaje de cc en el diodo del emisor? Si se sintoniza el tanque con al tercera armónica ¿cuánto valdrá la frecuencia de la señal de entrada? Si la potencia del transistor es de 0,25mW ¿cual es su rendimiento y el consumo de corriente de la etapa? Τ(TAO)=RB.Ccin=200µS → Ccin=200µS/10KΩ=20nF; Fr=1/200ns=5MHz; B=Fr/Q=5M / 200K=25; Q=rc÷XL=; → XL=rc÷Q=; QL=Rp÷XL=; → XL=Rp÷QL=; → rc÷Q=Rp÷QL → (Rp.RL÷(Rp+RL))÷Q= Rp÷QL → RpRL÷(Rp+RL)Q=Rp÷QL→ (Rp+RL)×Q = QL×RL = → Rp= RL(QL/Q – 1)=2k(180/25-1)= Rp=12,4kΩ; XL=2*π*Fr*L=; → XL=12,4k / 180= 68,888Ω; → L=68,888/(2π5M)= 2,192µH; como XL = Xc → C= 1/(2*π*68,888*5M)=462,063pF; PL(MÄX)=(30)²/(8x2k)= 56.25mw; P(BOBINA)=(30)²/8x10k=9,072mw; Ps=56.25mW+9,072mW +0,25mW= Ps=65,572mW; Is=4,371mA ŋ=56.25mWx100/65,572mW=85,782%; Vcc(DIODO)= − 6,8V; Fin=3*5MHz=15MHz.h La figura puede ser como la del problema anterior o sea la figura 30.