AMPLIFICADORES DE POTENCIA

El propósito del amplificador de potencia es proporcionar una tensión de salida con máxima excursión simétrica sin distorsión a una baja resistencia de carga. En la práctica, un sistema puede consistir en varias etapas de amplificación, la ultima de las cuales suele ser un amplificador de potencia. La carga alimentada por este amplificador de potencia puede ser un altavoz, un excitador, un solenoide o algún otro dispositivo analógico. La entrada al sistema es una señal que se amplifica a través de etapas de ganancia de tensión. La salida de las etapas de ganancia de tensión tiene la suficiente amplitud para alimentar el amplificador de potencia de la salida.

La representación en bloques de un amplificador de audio es la mostrada en la figura 156:

Figura 156. Representación en bloques de un amplificador de audio.

En la figura 156 el transductor produce una señal muy débil del orden de mv, las dos primeras etapas amplifican esta audio señal, la última etapa es una etapa de gran señal, de algunos voltios a decenas de voltios, debe producir suficiente corriente para manejar la baja impedancia del altavoz. El amplificador de potencia debe operar en forma eficiente y debe ser capaz de manejar grandes cantidades de potencia ya que deben trabajar con tensiones e intensidades de gran amplitud. (La potencia por lo regular es de unos cuantos watt’s a cientos de watt’s).

 

Los factores del amplificador de potencia que mayor interés presentan son:

·          Eficiencia en potencia del circuito (rendimiento).

·          Máxima cantidad de potencia que el circuito es capaz de manejar.

·          Acoplamiento de impedancia en relación con el dispositivo de salida.

 

Con respecto al rendimiento debe ser lo mayor posible para que el amplificador entregue una señal de la máxima potencia posible a cambio de la potencia que toma de la fuente de alimentación en forma de corriente continua.

 

El rendimiento esta dado por:

                            (65)

 

El rendimiento indica cuanta potencia extraída de la fuente alcanza la carga como una señal a.c, indica también la cantidad que no alcanza la carga y que debe disiparse en forma de calor por el transistor. El rendimiento depende del punto de operación establecido.

 

EJEMPLO

La potencia de la salida del amplificador es 8w, la fuente de alimentación genera 16v y el amplificador consume 1A. Determinar cual es el rendimiento del amplificador.

 

La potencia de corriente continua que penetra al amplificador es P=VI=16v*1A=16w, por tanto de la ecuación (65) se tiene que:

Este rendimiento indica que el 50% de la potencia de cc. de entrada alcanza la salida en forma de potencia de a.c en la carga.

 

A continuación, se presenta una breve descripción de las clases de amplificadores de potencia.

 

Clase A: La señal de salida varía para los 360° completos de ciclo. La figura 157 a) muestra que esto requiere que el punto Q se polarice a cierto nivel, de manera que al menos la mitad de la variación de la señal para la salida pueda variar arriba y abajo sin tener que alcanzar un voltaje suficientemente alto para ser limitado por el nivel del voltaje de la fuente o demasiado bajo para aproximarse al nivel inferior de la fuente, ó 0v en esta descripción.

Figura 157. a) Amplificador Clase A. b) Amplificador clase B.

 

Clase B: Un circuito de clase B proporciona una señal de salida que varia sobre la mitad del ciclo de la señal, como se aprecia en la figura 157 b). El punto de polarización d.c para un clase B se encuentra por lo tanto en 0v, lo que implica una variación de la salida desde este punto de polarización para un medio ciclo. Obviamente, la salida no es una reproducción fiel de la entrada si solamente se tiene presente un medio ciclo. Son necesarias dos operaciones de clase B, una para proporcionar la salida del medio ciclo de salida positivo y otra para proporcionar la operación del medio ciclo negativo. La combinación proporciona entonces una salida de 360° completos de operación. Este tipo de conexión se denomina como funcionamiento en contrafase, la cual se discutirá mas adelante. Nótese que la operación clase B, por si misma crea una señal de salida muy distorsionada debido a que la reproducción de la entrada tiene lugar para sólo 180° de la variación de la señal de salida.

 

Clase AB: Un amplificador puede polarizarse a un nivel d.c sobre el nivel de corriente de base cero de clase B y arriba de la mitad del nivel de voltaje de fuente de la clase A; esta condición de polarización es la clase AB. La operación de clase AB requiere todavía de una conexión en contrafase para conseguir un ciclo completo de salida, pero el nivel de polarización de d.c está por lo regular cercano al nivel de corriente de base cero para una mejor eficiencia de potencia. Para la operación de clase AB la oscilación en la señal de salida ocurre entre los 180° y 360°, y no está en la operación de clase A ni en la de clase B.

 

Clase C: La salida de un amplificador de clase C se polariza para una operación a menos de 180° del ciclo y operará solamente con un circuito sintonizador (resonante), el cual suministra un ciclo completo de operación para la frecuencia de sintonía o resonante. Esta clase de operación se emplea, por consiguiente, en áreas especiales de circuito de sintonía, tales como los de radio y comunicaciones.

 

Clase D: Esta clase de operación es una forma de operación de amplificador que utiliza señales de pulso (digitales) las cuales se activan para un intervalo corto y se desactivan para un intervalo mas largo. Al utilizar técnicas digitales se hace posible obtener una señal que varié sobre el ciclo completo, empleando circuitos de muestreo y retención (sample-and-hold), de diversos fragmentos, de la señal de entrada. La mayor ventaja de la operación de clase D  es que el amplificador se encuentra activado o encendido (empleando energía) solo para intervalos cortos y la eficiencia total puede ser prácticamente muy alta.

 

AMPLIFICADOR CLASE A ALIMENTADO EN SERIE

 

La conexión de circuito de polarización fija simple puede utilizarse para discutir las principales características de un amplificador clase A alimentado en serie como se muestra en la figura 158. La única diferencia entre este circuito y la versión de pequeña señal considerada antes es que las señales que maneja el circuito de gran señal están en intervalo de voltios y el transistor que se emplea es de potencia y capaz de operar en el intervalo de unos cuantos watts. Como se demostrara este circuito no es el mas apropiado para utilizar en un amplificador de gran señal, debido a su pobre eficiencia de potencia. El b (beta) de un transistor de potencia es por lo general menor que 100, lo que implica que con el uso de transistores de potencia por el circuito amplificador completo, es capaz de manejar gran potencia o corriente, mientras que no proporciona mucha ganancia de voltaje.

Figura 158. Amplificador de gran señal clase A alimentado en serie.

Operación de polarización de d.c

 

La polarización de d.c que establece VCC y RB fijan la corriente de polarización de base (IB):

                                                                         (66)

La corriente de colector esta dada por:

                                                                              (67)

Y el voltaje colector-emisor es igual a:

                                                                    (68)

Para apreciar mejor la importancia de la polarización de d.c sobre la operación del amplificador de potencia, en la figura 159 se muestran las características de colector. Para los valores de circuito VCC y RC , puede dibujarse una recta de carga d.c como se muestra en la figura 159. La intersección del valor de polarización de IB con la recta de carga d.c determina el punto de operación (punto Q), para el circuito. Los valores del punto de operación son aquellos que se calculan empleando las ecuaciones 66 a 68. Si la corriente de polarización d.c se fija en la mitad de la oscilación de la señal (entre 0 y VCC/RC), podrá presentarse la corriente de colector a.c más alta. Además, si el voltaje de colector a emisor en un punto de operación se ajusta en un medio de voltaje de alimentación, será posible la mayor oscilación de voltaje de colector. Si el punto Q se ajusta en este punto de polarización optimo, las consideraciones de potencia en el circuito de la figura 158 se determinan como se describe a continuación.

Figura 159. Características del transistor mostrando la recta de carga y el punto Q.

Operación de A.C

 

Cuando se aplica una señal de entrada de a.c al amplificador de la figura 158, la salida variara desde su corriente y voltaje de operación de polarización de d.c. Una señal de entrada pequeña, como se ilustra en la figura 160, ocasionara que la corriente de base varié arriba y abajo del punto de polarización de d.c lo que provocara entonces que la corriente de colector (salida) varié desde el punto de polarización de d.c establecido, así mismo el voltaje de colector-emisor varia alrededor de su valor de polarización de d.c. A medida que la señal de entrada se hace más grande, la salida variara en forma adicional alrededor del punto de polarización de d.c establecido hasta que la corriente o el voltaje alcancen una condición límite. Para la corriente esta condición límite es la corriente cero del extremo inferior, o bien VCC/RC en el extremo superior de su oscilación. Para el voltaje de colector-emisor el límite es ya sea 0v o el voltaje de la fuente, VCC.

Figura 160. Variación de las señales de entrada y salida del amplificador.

CONSIDERACIONES DE POTENCIA

La potencia en un amplificador es suministrada por medio de la fuente. En ausencia de la señal de entrada la corriente de d.c suministrada es la corriente de polarización de colector, ICQ. La potencia suministrada entonces por la fuente es:

                                                                   (69)

Con una señal aplicada de a.c, la corriente promedio suministrada por la fuente permanece igual, de modo que la ecuación (69) representa la potencia de entrada entregada al amplificador de clase A alimentado en serie.

 

POTENCIA DE SALIDA

El voltaje y corriente de salida varían alrededor del punto de polarización suministrando potencia de a.c a la carga. Esta potencia de a.c se entrega a la carga R C , en el circuito de la figura 158. La señal de a.c, V i, ocasiona que varié la corriente de base alrededor de la corriente de polarización d.c y la corriente de colector alrededor de su nivel, ICQ. Como se ilustra en la figura 160, la señal de entrada a.c resulta de señales de corriente de a.c y voltaje de a.c. Cuanto mayor sea la señal de entrada, mayor será la oscilación de salida, arriba del máximo establecido por el circuito. La potencia a.c entregada a la carga(RC) se puede expresar de diversas formas:

·          Empleo de señales rms: La potencia de a.c entregada a la carga (RC) se puede expresar haciendo uso de:

                                                    (70a)

                                                        (70b)

                                                         (70c)

·          Empleo de señales pico: La potencia de a.c entregada a la carga se puede expresar por medio de:

                                                       (71a)

                                                       (71b)

                                                       (71c)

·          Empleo de señales pico a pico: La potencia de a.c entregada a la carga se puede expresar haciendo uso de:

                                                  (72a)

                                                   (72b)

                                                    (72c)

EFICIENCIA MÁXIMA

Para el amplificador de clase A, alimentado en serie, la eficiencia máxima se puede determinar utilizando las máximas oscilaciones de voltaje y corriente. Para las oscilaciones de voltaje es de:

máximo VCE (p-p)=V CC

Para la oscilación de corriente es:

máximo IC (p-p)=V CC/RC

Al utilizar la máxima oscilación de voltaje en la ecuación (72a) nos conduce a:

La entrada máxima de potencia puede calcularse haciendo uso de la corriente de polarización d.c establecida a la mitad del valor máximo:

Por tanto, podemos emplear la ecuación (65) para calcular la eficiencia máxima:

 

Así, se puede apreciar que la eficiencia máxima de un amplificador alimentado en a.c de clase A es de 25%. Puesto que esta eficiencia máxima solo ocurrirá para condiciones ideales tanto de oscilación de voltaje como oscilación de corriente, la mayoría de los circuitos alimentados en serie proporcionará eficiencias mucho menores que 25%.

 

EJEMPLO

Calcule la potencia de entrada, la potencia de salida y la eficiencia del amplificador de la figura 161 para un voltaje de entrada que produce una corriente de 10mA pico. Los valores para el circuito son: RB=1K, VCC=20v, R C=20W y b=25.

 

Figura 161. Amplificador clase A alimentado en serie.

 

Con las ecuaciones (66) a (68), el punto Q se determina como:

Figura 162. Características del transistor mostrando la recta de carga y el punto Q.

Este punto de polarización se marca sobre las características del transistor de la figura 162. La variación a.c de la señal de salida puede obtenerse en forma gráfica empleando la línea de carga d.c y uniendo V CE=VCC=20v con I C=VCC/RC =1000mA=1A, como se muestra. Cuando la corriente de base de entrada incrementa la corriente de base desde su nivel de polarización, la corriente de colector aumenta en:

El empleo de la ecuación (71b), produce:

Al utilizar la ecuación (69) se obtiene:

La eficiencia del amplificador de potencia se calcula entonces empleando la ecuación (65):

 

AMPLIFICADOR CLASE A ACOPLADO A 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 básicos. Ya que el circuito hace uso de un transformador para aumentar el voltaje o la corriente, se presentara a continuación un resumen de la elevación y la reducción de voltaje y corriente.

Figura 163. Amplificador de potencia de audio con acoplamiento a transformador.

Acción del transformador

Un transformador puede aumentar o disminuir los niveles de voltaje o corriente de acuerdo con la relación de vueltas o embobinados, como se explica a continuación. Además, la impedancia que se conecta al extremo de un transformador puede aparecer ya sea aumentada o disminuida en el otro extremo del transformador. La discusión siguiente supone una transferencia de potencia ideal (100%) del primario al secundario; es decir no se toman en consideración las perdidas de potencia.

 

TRANSFORMACIÓN DE VOLTAJE

Como se ilustra en la figura 164 a), el transformador puede elevar o reducir un voltaje aplicado a un extremo en forma directa, según la relación de vueltas (ó el numero de embobinados) en cada extremo. La transformación de voltaje esta dada por:

                                                                      (73)

La ecuación (73) muestra que si el número de vueltas de alambre en el lado secundario es mayor que en el primario, el voltaje en el lado secundario será mayor que el voltaje en el lado primario.

Figura 164. Operación del transformador: a) Transformación de voltaje; b) Transformación de corriente; c)Transformación de impedancia.

TRANSFORMACIÓN DE CORRIENTE

La corriente en el secundario es inversamente proporcional al número de vueltas en los embobinados. La transformación de corriente esta dada por:

                                                                          (74)

Esta relación se muestra en la figura 164 b). Si el numero de vueltas en el secundario es mayor que el del primario, la corriente del secundario será menor que la corriente del primario.

 

TRANSFORMACIÓN DE IMPEDANCIA

Puesto que el voltaje y la corriente pueden modificarse por medio de un transformador, también puede modificarse una impedancia “vista” desde cualquier extremo (primario o secundario). Como se ilustra en la figura 164 c), se conecta una impedancia RL a través del secundario del transformador. Esta impedancia se modifica en el transformador cuando se visualiza desde el lado primario RL. Esto puede mostrarse como sigue:

Si definimos a=N 1/N2, donde a es la relación de vueltas en el transformador, la ecuación anterior nos lleva a:

                                                           (75)

También se puede expresar la resistencia de carga reflejada para el extremo primario como:

                                                         (76)

Donde RL es la impedancia reflejada. Como se muestra en la ecuación (76), la impedancia reflejada se relaciona en forma directa con el cuadro de la relación de vueltas. Si el número de vueltas del secundario es menor que el correspondiente al primario, la impedancia que se aprecia en el primario es mayor que la del secundario por el cuadrado de la relación de vueltas.

 

EJEMPLO

¿Qué relación de vueltas de transformador se requiere para acoplar la carga de una bobina de 16 W con un amplificador, de manera que la resistencia de carga efectiva vista en el primario sea de 10KW ?

De la ecuación (75) y (76) se tiene que:

OPERACIÓN DE UNA ETAPA DE AMPLIFICACIÓN

LINEA DE CARGA D.C

 

La resistencia de d.c del devanado del transformador determina la recta de carga d.c para el circuito de la figura 163. Por lo común, esta resistencia de d.c es pequeña (idealmente 0W) y en la figura 165 una recta de carga de 0W, es una recta vertical. Esta es la línea de carga ideal para el transformador. Los devanados reales del transformador son de pocos ohms, pero en este análisis solo se considerara el caso ideal. No hay caída de voltaje d.c a través de la resistencia de carga d.c (0 W), en el caso ideal y la línea de carga se dibuja como una recta vertical a partir del punto de voltaje, VCEQ=VCC .

Figura 165. Rectas de carga para un amplificador clase A acoplada a transformador.

 

PUNTO DE OPERACIÓN

El punto de operación en las curvas características de la figura 165 se obtiene gráficamente como el punto de intersección de la línea de carga d.c y la corriente de base establecida por el circuito. La corriente quiescente de colector puede, por tanto, obtenerse del punto de operación. En la operación de clase A, téngase en cuenta que el punto de polarización de d.c establece las condiciones para la máxima oscilación de señal sin distorsión, tanto para la corriente de colector como para el voltaje de colector-emisor. La señal de entrada produce una oscilación de voltaje menor que la máxima posible, la eficiencia del circuito en ese tiempo será menor al 25%. El punto de polarización d.c es por lo tanto, importante al establecer la operación de un amplificador de clase A alimentado en serie.

 

RECTA DE CARGA

Para llevar a cabo el análisis de a.c es necesario calcular la resistencia de carga de a.c “vista” desde el primario del transformador, para luego tomar la recta de carga de a.c en la característica del colector. La resistencia de carga reflejada RL se calcula mediante la ecuación (76), haciendo uso del valor de la carga conectada a través del secundario R L y la relación de vueltas del transformador. Entonces, la técnica del análisis gráfico procede como sigue. Se toma la recta de carga a.c de modo que pase a través del punto de operación y tenga una pendiente igual a -1/RL (la resistencia de carga reflejada), lo que implica que la pendiente de la recta de carga sea el reciproco negativo de la resistencia de carga a.c. Adviértase que la recta de carga a.c muestra que la variación de la señal de salida puede exceder el valor de VCC. De hecho, el voltaje desarrollado a través del primario del transformador puede ser bastante grande. Por lo tanto, es necesario obtener después la recta de carga a.c para verificar que la posible variación de voltaje no exceda los valores nominales máximos del transistor.

 

EXCURSIÓN DE LA SEÑAL Y POTENCIA DE SALIDA DE A.C

 La figura 166 ilustra las oscilaciones de la señal de voltaje y corriente que resultan del circuito de la figura 163. De loas variaciones de señal mostradas en la figura 166, los valores de las oscilaciones de señal pico a pico son:

La potencia de a.c desarrollada a través del primario del transformador  puede, por tanto, expresarse con:

                                             (77)

La potencia de a.c calculada es la que se desarrolla a través del primario del transformador. Si se hace la suposición de un transformador ideal (un transformador suficientemente eficiente tiene una eficiencia arriba del 90%), la potencia entregada por el secundario a la carga es aproximadamente la que se calculo haciendo uso de la ecuación (77). La potencia de a.c de salida también se puede determinar empleando el voltaje suministrado a la carga.

Figura 166. Operación gráfica del amplificador de clase A con transformador acoplado.

Para el transformador ideal el voltaje entregado a la carga se puede calcular utilizando la ecuación (73):

La potencia a través de la carga puede expresarse entonces como:

y es igual a la potencia calculada por medio de la ecuación (70c).

Al utilizar la ecuación (74) para calcular la corriente de carga se llega a:

con la potencia de a.c de salida calculada mediante el uso de:

 

EJEMPLO

Calcule la potencia de a.c que se entrega al altavoz de 8W para el circuito de la figura 167. Los valores de las componentes del circuito dan como resultado una corriente de base d.c de 6mA, y la señal de entrada (Vi) da como resultado una oscilación de la corriente pico de base igual a 4mA. El voltaje de polarización V CC=10v y la relación de vueltas es N1/N2 =3:1.

Figura 167. Amplificador de clase A con transformador acoplado.

La recta d.c se toma verticalmente (véase figura 168) desde le punto de voltaje:

Para IB=6mA el punto de operación sobre la figura 168 es:

La resistencia de a.c efectiva vista desde el primario es:

La recta de carga de a.c puede, por tanto, trazarse con pendiente de -1/72 a través del punto de operación indicado. Para facilitar el trazado de la recta de carga, se considera el siguiente procedimiento. Para una oscilación de corriente de:

Figura 168. Características del transistor clase A con transformador acoplado. a)Característica del dispositivo; b)rectas de carga a.c y d.c.

Se maraca un punto (A):

Se une el punto A a través del punto Q para obtener la recta de carga de a.c. Para la oscilación de corriente de base dada de 4mA pico, el voltaje de colector-emisor y la corriente de colector máxima y mínima obtenidas de la figura 168 b) son:

La potencia de a.c suministrada a la carga se puede calcular por medio de la ecuación (77):

 

EFICIENCIA

Hasta ahora se ha considerado el calculo de la potencia a.c entregada a la carga (la potencia de a.c de salida). A continuación se considera la potencia de entrada obtenida de la batería, las pérdidas de potencia en el amplificador y la eficiencia de potencia total del amplificador clase A con acoplamiento a transformador. La potencia de entrada de d.c obtenida de la fuente se calcula de los valores de voltaje d.c de la fuente y de la corriente promedio suministrada por la misma:

                                                                 (78)

En el amplificador con acoplamiento a transformador la potencia disipada por el transformador es pequeña debida a la pequeña resistencia de d.c de una bobina y se ignora en el presente cálculo. Entonces, la única pérdida de potencia considerada aquí es la que se disipa por el transistor de potencia y se calcula mediante:

                                                                (79)

donde PQ es la potencia disipada como calor. Aunque la ecuación es simple, no deja de ser significativa al operar un amplificador clase A. La cantidad de potencia disipada por el transistor es la diferencia entre la que se consume de la fuente d.c (establecida por el punto de polarización) y la cantidad suministrada a la carga a.c. Cuando la señal de entrada es muy pequeña, con muy poca potencia de a.c entregada a la carga, la potencia máxima se disipa por medio del transistor. Cuando la señal de entrada es más grande y la potencia entregada a la carga es mayor, se disipa menos potencia a través del transistor. En otras palabras, el transistor de un amplificador clase A tiene que trabajar más fuerte (disipar la mayor potencia) cuando la carga está desconectada del circuito amplificador en un amplificador clase A y el transistor disipa la menor cantidad de potencia cuando la carga consume la máxima potencia del circuito.

 

EJEMPLO

Para el circuito de la figura 167 y los resultados del anterior ejemplo, calcule la potencia de entrada d.c, la potencia disipada por el transistor y la eficiencia del circuito para la señal de entrada del ejemplo anterior.

 

De la ecuación (78):

De la ecuación (79):

La eficiencia del amplificador es entonces:

 

EFICIENCIA TEÓRICA MÁXIMA

Para un amplificador de clase A con acoplamiento a transformador la eficiencia teórica máxima se encuentra arriba del 50%. Basándose en las señales que se obtienen empleando el amplificador, la eficiencia se puede expresar como:

                                                     (80)

Cuanto mayor sea el valor de VCEmax y menor el de VCEmin, la eficiencia se aproximará más estrechamente al límite teórico del 50%.

 

OPERACIÓN DEL AMPLIFICADOR CLASE B

 

La operación clase B se produce cuando la polarización d.c corta (apaga) al transistor, volviendo al estado de conducción cuando se presenta la señal a.c. Esta es esencialmente no polarizada y el transistor conduce corriente durante sólo medio ciclo de la señal. Para obtener la salida deseada para el ciclo completo de la señal es necesario utilizar dos transistores y lograr que cada uno de ellos conduzca en medios ciclos opuestos, que es la operación combinada que produce un ciclo completo de la señal de salida. Como una parte del circuito empuja la señal a alto durante un medio ciclo y la otra parte “jala” la señal hacia abajo durante el otro medio ciclo, los circuitos que operan la clase B también se conocen como circuitos de contrafase. La figura 169 muestra un diagrama para la operación en contrafase. Una señal a.c de entrada se aplica en el circuito en contrafase. Cada una de las mitades del circuito opera en medios ciclos alternados, recibiendo la carga una señal para el ciclo a.c completo. Los transistores de potencia empleados en el circuito en contrafase son capaces de entregar la potencia deseada a la carga, y la operación clase B de estos transistores proporciona una mayor eficiencia de la que fue posible empleando un solo transistor en la operación de la clase A.

Figura 169. Representación en bloques de la operación en contrafase.

POTENCIA D.C DE ENTRADA

La potencia que suministra a la carga un circuito amplificador por la fuente de alimentación o fuentes de alimentación; véase la figura 170, se considera una potencia de entrada de d.c. La cantidad de esta potencia de entrada puede calcularse utilizando:

                                                                (81)

donde Idc es la corriente consumida promedio de d.c de las fuentes de alimentación.

Figura 170. Conexión del amplificador contrafase a la carga: a) empleando dos fuentes de voltaje; b) empleando una fuente de voltaje.

En la operación clase B la corriente que se consume de una sola fuente de alimentación es una señal rectificada de onda completa, en tanto que la extraída de un circuito que tiene dos fuentes de alimentación es una onda rectificada de media onda de cada alimentación. En cualquier caso, el valor de la corriente promedio puede expresarse como:

                                                                 (82)

donde I(p) es el valor pico de la forma de onda de corriente de salida, al utilizar la ecuación (82) en la ecuación (81) de entrada de potencia se tiene como resultado:

                                                       (83)

 

POTENCIA A.C DE SALIDA

La potencia que se suministra a la carga (RL) puede calcularse usando una o varias ecuaciones. Si se utiliza un medidor rms para medir el voltaje a través de la carga, la potencia de salida puede calcularse como:

                                                               (84)

Si se emplea un osciloscopio, el voltaje pico, o pico a pico de salida medido, se puede usar:

                                                   (85)

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

 

EFICIENCIA

La eficiencia del amplificador de clase B se puede calcular haciendo uso de la ecuación básica:

Al utilizar las ecuaciones (83) y (85) en la ecuación de eficiencia anterior nos conduce al resultado:

                  (86)

 

haciendo uso de I(p)=(V L(p)/RL). La ecuación (86) muestra que cuanto mayor sea el voltaje pico, mas alta será la eficiencia del circuito, arriba de un valor máximo cuando VL(p)=VCC, resulta entonces esta eficiencia máxima igual a:

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 y la potencia de salida suministrada a la carga.

                                                             (87)

donde P2Q es la potencia disipada por los dos transistores de potencia de salida. La potencia disipada por cada transistor es entonces:

                                                                   (88)

CONSIDERACIONES DE MÁXIMA POTENCIA

Para la operación clase B la potencia de salida máxima suministrada a la carga se produce cuando VL(p)=VCC:

                                                       (89)

La corriente pico de a.c I(p) es entonces:

por consiguiente, el valor máximo de la corriente promedio de la fuente de alimentación es:

Empleando esta corriente para calcular el valor máximo de la potencia de entrada se obtiene que:

                              (90)

Por tanto la eficiencia máxima del circuito en la operación clase B es:

                                                             (91)

Cuando la señal de entrada es tal que no se obtiene la máxima oscilación de la señal de salida, la eficiencia del circuito es menor que 78.5%.

En la operación clase B, la máxima disipación de potencia de los transistores de salida no ocurre a la condición de máxima eficiencia. La máxima potencia disipada por los dos transistores de salida ocurre cuando el voltaje de salida a través de la carga es:

para una disipación de potencia de transistor máxima de:

                                                               (92)

 

EJEMPLO

Para un amplificador de clase B con una fuente de VCC=30v y manejando una carga de 16 W, determine la máxima potencia de entrada, potencia de salida y disipación del transistor.

 

La máxima potencia de salida es:

La máxima potencia de entrada suministrada por la fuente de alimentación es:

La eficiencia del circuito es:

Como se esperaba. La máxima potencia disipada por cada transistor es:

En las condiciones máximas, un par de transistores, manejando cada uno como máximo 5.7w, puede entregar 28.125w a una carga de 16W , mientras que consume 35.81w de la fuente.

 

CIRCUITOS DEL AMPLIFICADOR CLASE B

Diversos arreglos de circuitos son posibles para obtener la operación clase B. Se consideran las ventajas y desventajas de varios de los más populares circuitos a continuación. Las señales de entrada al amplificador podrían ser simples, y luego el circuito proporcionaría dos distintas etapas de salida, operando cada una para la mitad de ciclo. Si la señal se halla en la forma de dos señales de polaridades opuestas, podrían emplearse dos etapas similares, operando cada una en el ciclo alternado debido a la señal de entrada. Uno de los medios para obtener polaridad o inversión de fase es por medio del uso de un transformador, siendo el amplificador acoplado a transformador el más popular por largo tiempo. Las entradas de polaridad opuestas pueden obtenerse fácilmente utilizando un amp-op con dos salidas opuestas, o empleando unas cuantas etapas de amp-op para obtener dos señales de polaridades opuestas. Una operación de polaridades opuestas puede conseguirse también haciendo uso de una entrada simple y transistores complementarios (npn y pnp, o nMOS y pMOS).

La figura 171 ilustra diferentes maneras de obtener señales de fase invertida a partir de una señal de entrada simple. La figura 171 a) muestra un transformador con derivación central para proporcionar señales de fase opuesta. Si el transformador es exactamente de derivación central, las dos señales estarán opuestas en fase y serán de la misma magnitud. El circuito de la figura 171 b) hace uso de una etapa BJT con salida en fase desde el emisor y salida de fase opuesta desde el colector. Si la ganancia se acerca a 1 para cada salida, resulta la misma magnitud. Probablemente seria más común utilizar etapas de amp-op, una para proporcionar una ganancia unitaria invertida y la otra, para proporcionar una ganancia unitaria no invertida, y así obtener dos salidas de la misma magnitud pero de fase opuesta.

Figura 171. Circuitos divisores de fase (desfasadores).

CIRCUITOS EN CONTRAFASE CON ACOPLAMIENTO A TRANSFORMADOR

El circuito de la figura 172 utiliza un transformador de derivación central para producir señales de polaridad opuesta a la entrada de cada uno de los transistores y un transformador de salida para excitar la carga en un modo de operación en contrafase que se describirá a continuación.

Durante el primer ciclo de operación, el transistor Q1 conduce y el transistor Q 2 está en corte. La corriente i1 a través del transformador produce el primer medio ciclo de señal hacia la carga. Durante el segundo medio ciclo de la señal de entrada, Q 2 conduce, en tanto que Q1 permanece en corte, y la corriente i2 a través del transformador produce el segundo medio ciclo hacia la carga. La señal total desarrollada a través de la carga varía en todo el ciclo de la señal de operación.

Figura 172. Circuito en contrafase.

CIRCUITOS DE SIMETRÍA COMPLEMENTARIA

Con el uso de transistores complementarios (npn y pnp) es posible obtener una salida de ciclo completo a través de una carga empleando ciclos medios de operación de cada transistor, como se muestra en la figura 173 a). Mientras que se aplica una señal de entrada simple a la base de ambos transistores, al ser estos de tipo opuesto, conducirán en medios ciclos opuestos de la entrada. El transistor npn será polarizado para conducir, mediante la señal del medio ciclo positivo con un medio ciclo de salida resultante en el transistor de carga como se indica en la figura 173 b). Durante el medio ciclo negativo de la señal de entrada, el transistor pnp conduce cuando la entrada es negativa, como se muestra en la figura 173 c).

Durante un ciclo completo de la entrada, se desarrolla un ciclo completo de la señal de salida a través de la carga. Debe ser evidente que una desventaja de este circuito es la necesidad de dos fuentes de alimentación. Otra desventaja, menos obvia, con el circuito complementario se muestra en la distorsión de cruce resultante en la señale de salida (véase figura 173 d). La distorsión de cruce se refiere al hecho de que durante el cruce de la señal de positivo a negativo (o viceversa) existe una falta de linealidad en la señal de salida. La operación del circuito no brinda una conmutación exacta de un transistor en corte a otro en saturación en la condición de voltaje cero.

Figura 173. Amplificador de potencia sin transformador en contrafase.

Ambos transistores pueden estar en corte o conduciendo de manera parcial por lo que el voltaje de salida no sigue exactamente a la entrada y ocurre la distorsión. La polarización de transistores en la clase AB mejora la operación polarizándolos de modo que cada uno permanezca activado durante más de la mitad del ciclo.

Una versión mas practica de un circuito en contrafase utilizando transistores complementarios se ilustra en la figura 174. Obsérvese que la carga esta controlada a la salida de un emisor-seguidor de manera que la resistencia de carga corresponda a la resistencia baja de salida de la fuente controlada. El circuito emplea transistores complementarios en conexión Darlington para proporcionar una corriente de salida más alta y una resistencia de salida menor.

Figura 174. Circuito en contrafase de simetría complementaria que emplea transistores Darlington.

AMPLIFICADOR CLASE AB CUASICOMPLEMENTARIO CON PAR DARLINGTON

En circuitos prácticos de amplificación de potencia es preferible emplear transistores npn para ambos dispositivos de alta salida de corriente. Puesto que la conexión en contrafase requiere de dispositivos complementarios, debe utilizarse un transistor pnp de alta potencia. Un medio practico de obtener operación complementaria mientras se utilizan los mismos transistores npn acoplados para la salida se proporciona por medio de un circuito cuasicomplementario, como ase ilustra en la figura 175. La operación de circuito en contrafase se alcanza empleando transistores complementarios (Q1 y Q2) antes de los transistores npn acoplados (Q3 y Q4). Adviértase que los transistores Q1 y Q3 forman una configuración Darlington que proporciona salida a partir de un emisor seguidor de baja impedancia. La conexión de los transistores Q2 y Q 4 forma un par realimentado, que brinda en forma similar una impedancia baja a la carga. La resistencia R2 puede ajustarse para minimizar la distorsión de cruce mediante el ajuste de la condición de polarización. La señal que se aplica como entrada en la etapa en contrafase produce entonces una salida de ciclo completo hacia la carga. Este amplificador de potencia en contrafase cuasicomplementario es en la actualidad la forma más popular del amplificador de potencia.

Figura 175. Amplificador  Clase AB cuasicomplementario.

EJEMPLO

Para el circuito de la figura 176 calcule la potencia de entrada, la potencia de salida y la potencia manejada por cada transistor de salida y la eficiencia del circuito para una entrada de 12 V rms.

Figura 176. Amplificador de potencia clase B.

El voltaje de entrada pico es:

Debido a que el voltaje resultante a través de la carga es idealmente el mismo que el de la señal de entrada (el amplificador tiene una ganancia unitaria de voltaje),

VL(p)=17v

Y la potencia de salida desarrollada a través de la carga es

La corriente pico de carga es

A partir de la cual se calcula la corriente de dc para las alimentaciones, que es

Por lo que la potencia proporcionada al circuito es

La potencia disipada por cada transistor de salida es

La eficiencia del circuito (para una entrada de 12V rms) es entonces

 

EJEMPLO

Para el circuito de la figura 176, calcule la potencia de entrada máxima, la potencia de salida máxima, el voltaje de entrada para la operación en potencia máxima y la potencia disipada por los transistores de salida a este voltaje.

 

La potencia de entrada máxima es

La potencia de salida máxima es

Se puede observar que se logra la eficiencia máxima:

Para lograr la operación a potencia máxima, el voltaje de salida debe ser

Y la potencia disipada por los transistores de salida es entonces

 

EJEMPLO

Para el circuito de la figura 176, determine la potencia máxima disipada por los transistores de salida y el voltaje de entrada en el que esto sucede.

 

La potencia máxima disipada por ambos transistores de salida es

Esta disipación máxima sucede a

 

Se puede observar que a VL=15.9V el circuito requiere que los transistores de salida disipen 31.66W, mientras que a VL=25V sólo tienen que disipar 21.3W.

 

DISTORSIÓN DE UN AMPLIFICADOR

Una señal senoidal pura tiene una sola frecuencia a la cual el voltaje varia en forma positiva y negativa en cantidades iguales. Cualquier señal que varié poco menos que el ciclo completo de 360° se considera como una señal con distorsión. Un amplificador ideal es capaz de amplificar una señal senoidal pura para proporcionar una mayor versión, resultando como forma de onda una señal senoidal pura de una sola frecuencia. Cuando ocurre la distorsión la salida no será un duplicado exacto (excepto en magnitud) de la señal de entrada.

La distorsión puede ocurrir debido a que la característica del dispositivo no es lineal, en cuyo caso se presenta una distorsión de amplitud o no lineal. Esto puede ocurrir con todas las clases de operación del amplificador. También puede presentarse distorsión debido a que los dispositivos y los elementos del circuito responden de manera diferente a la señal de entrada para varias frecuencias, siendo ésta, distorsión de frecuencia.

Una técnica para describir la distorsión de formas de onda periódicas hace uso del análisis de Fourier, un método que describe cualquier forma de onda periódica en términos de su componente fundamental de frecuencia y múltiplos enteros de sus componentes de frecuencia, denominándose estas componentes como componentes armónicas o armónicas. Por ejemplo, una señal de originalmente 1000Hz podría resultar, después de la distorsión, en una componente de frecuencia a 1000Hz (1KHz) y componentes armónicas a 2KHz(2x1KHz), 3KHz(3x1KHz), 4KHz(4x1KHz), y así sucesivamente. La frecuencia original de 1KHz se conoce como frecuencia fundamental; las que corresponden a múltiplos enteros son las armónicas. Por lo tanto, la componente de 2KHz se conoce como segunda armónica , la de 3KHz es la tercera armónica, y así sucesivamente. La frecuencia fundamental no se considera una armónica. El análisis de Fourier no se permite para frecuencias armónicas fracciónales, es decir, solamente múltiplos enteros de la fundamental.

 

DISTORSIÓN ARMÓNICA

Se considera que una señal tiene distorsión armónica cuando hay componentes de frecuencia armónica (no sólo la componente fundamental). Si la frecuencia tiene una amplitud Ah, puede definirse una distorsión armónica como

                            (93)

La componente fundamental es, normalmente más grande que cualquiera de las componentes armónicas.

 

DISTORSIÓN ARMÓNICA TOTAL

Cuando una señal de salida tiene varias componentes de distorsión armónica individuales, puede verse que la señal tiene una distorsión armónica total basada en los elementos individuales combinados por medio de la relación que se aprecia en la siguiente ecuación:

                                                 (94)

Donde THD es la distorsión armónica total.

 
Volver a Tareas