Amplificadores de potencia

Son los circuitos de salida de varios equipos, que le dan potencia a las señales que

amplifican o sirven para acoplar cargas de baja impedancia a salidas de alta

impedancia.

Los amplificadores de potencia se clasifican de acuerdo a:b)Por clase de funcionamiento (ángulo de conducción)c)Por tipo de acoplamiento entre etapasd)Por rango de frecuencias de funcionamientoe)Por ancho de banda f)Por nivel de señal.

Por clase de funcionamiento:Clase tipo A: Son aquellos transistores que siempre trabajan en la zona activa, o sea que por su colector circula corriente los 360º del ciclo de la señal. El punto Q se sitúa cerca de la mitad de la recta de carga. De forma que la señal no se corte ni se sature en el transistor a fin de obtener una señal con cero o la mínima distorsión posible. Con una pobre eficiencia del circuito, menor al 33%.Clase tipo B: En este caso en el transistor, la corriente del colector sólo circula 180º o sea medio ciclo del ciclo de la señal. El punto Q se sitúa en el corte, entonces sólo la mitad positiva del voltaje alterno de la señal en la base, produce corriente en el colector. Por lo que se necesitan dos transistores en disposición contra-fase o complementaria para un buen

funcionamiento. Reduciendo la disipación de potencia de los transistores y aumentando la eficiencia de funcionamiento del circuito al 78.5%. aun que la distorsión del circuito aumenta un poco. Clase tipo C: Se entiende que es un circuito en el que la corriente de colector, sólo circula menos de 180º del ciclo de la señal. Por lo que generalmente se puede decir que es un amplificador de pulsos. Ya que se usan pulsos cortos de corriente en la base para hacer conducir el colector sólo parte del ciclo de entrada, y usando circuitos de carga que hacen el efecto de un volante poder recuperar la señal de entrada, disminuyendo grandemente la disipación del transistor y aumentando la eficiencia del circuito a valores que están por encima del 90 %.

Por tipos de acoplamiento:

Por condensador: Se usa para aislar la polarización DC del circuito del circuito siguiente o anterior, evitando el cambio del punto Q y por tanto la posición de la recta de carga, inestabilisando el circuito, y su respuesta.

C

C

V C C

R

R

R

Por transformador: Este tipo de circuito se usa con dos propósitos uno para aislar como en el caso anterior el circuito en DC de sus vecinos y evitar los cambios de polarización, la estabilidad del punto Q, y a la vez la de acoplar la impedancia de salida de un circuito a la impedancia de entrada del siguiente circuito. La única desventaja es la limitación del ancho de banda debida a la respuesta del tipo de transformador.

T

V C C

T

R

Acoplamiento directo:

Cuando existe una conexión directa entre el colector del primer transistor y la base del segundo transistor, implica que tanto las señales de polarización como las señales alternas se hallan acopladas. Por tanto no hay una frecuencia límite inferior o superior, dando un gran ancho de banda. Este tipo de acoplamiento es ideal, pero va apareciendo un aumento en el nivel DC, a medida que más etapas

V C C

Se unen al circuito haciendo necesario usar transistores complementarios o circuitos cambiadores de nivel para compensar estos cambios. A este último sistema también se lo llama Amplificador de corriente continua.

Por rangos de frecuencia de funcionamiento:Amplificadores de Audio: Se los llama así cuando los amplificadores funcionan dentro de un rango de frecuencias que van desde los 20 Hz hasta los 20 KHz, o sea en el rango de audición para el oído humano dentro de la gama de la ondas radioeléctricas.Amplificadores de Radiofrecuencia: son todos aquellos amplificadores que se usan para amplificar señales que van desde los 20 KHz en adelante, como ultrasonidos, BF, IF de AM, AM, CW, HF, FM, TV, UHF, VHF, MW, etc.

Por ancho de Banda: Banda estrecha: El ancho de banda cuyo rango de frecuencias de trabajo es bastante pequeño en relación con la frecuencia central de funcionamiento, la mayoría son amplificadores sintonizados, por lo que la carga en corriente alterna es un circuito resonante con un alto Q. su salida puede estar acoplada por capacidad o por transformador.

Banda ancha: cuando el ancho de la frecuencia es una fracción grande de la frecuencia central de funcionamiento, como los amplificadores de video, son generalmente amplificadores no sintonizado acoplados directamente y con cargas resistivas para señales de corriente alterna.

Por nivel de señal:

Señal pequeña: Se dice de los amplificadores cuya corriente pico a pico en el colector del transistor es menor al 10% de la corriente de colector sin señal alterna (en reposo). Se usan normalmente para amplificar señales muy pequeñas o débiles y llevarlas a niveles medios con muy baja o distorsión nula, sin importar su eficiencia (amplificadores clase A).Señales grandes: Se llaman a los amplificadores cuyos transistores conducen la corriente de colector pico a pico empleando toda la recta de carga en la excursión de la señal alterna. Estos amplificadores usan señales medias y se emplean para excitar los amplificadores de potencia ( normalmente vienen impulsados por amplificadores de pequeña señal).Amplificadores de Potencia: Son amplificadores que transforma unos pocos mili-vatios en vatios y hasta en cientos de vatios, Para impulsar grandes cargas.

Rectas de carga:Cada amplificador tiene un circuito equivalente para corriente continua y otro para corriente alterna, y cada uno tiene su propia recta de carga, de acuerdo a los parámetros de cada circuito. Por eso se dice que tiene dos rectas de carga.Para el funcionamiento con pequeña señal la posición del punto Q no es crítica. Pero para amplificadores de señal grande, tiene que ubicarse en la mitad de la reta de carga de alterna a fin de conseguir la máxima excursión de la señal con la mínima distorsión posible.

Recta de carga para DC:En un amplificador con polarización por divisor

C

CR 1

V C C

R L

R 2

+

C

R E

V i n

De voltaje en la base, una forma de mover el punto Q es variando el valor de R2. Para valores grandes de R2 el transistor entra en saturación y su corriente viene dada por:

IC(sat) = VCC/(RC+RE)Para valores muy pequeños de R2 llevan el

transistor a la zona de corte y su voltaje será:VCE(corte) = VCC

Podemos ver al lado la gráfica de la recta de carga en DC, con el punto Q.

Recta de carga AC:

*

I c

>

V c c / ( R c + R e )

Q

V c c0>

R e c t a d e c a r g a D C

V c e

Veamos en la figura el circuito equivalente para AC del amplificador con divisor de voltaje en la base. Con el emisor a tierra, al estar Desacoplado por el condensador, RE no afecta el funcionamiento. Además la resistencia del colector para corriente alterna es menor que la resistencia del colector para continua.

r cR 1 R 2

I c q

Vcc

V c e / ( R c + R e )

R e c t a d e c a r g a A C

*Q R e c t a d e

c a r g a D C

Vce

q+Ic

qRc

>

<V c e

Vce

q

I cI c q + V c e q / R c

Por lo tanto cuando llega una señal de alterna, el punto Q de operación instantáneo se mueve a lo largo de la recta de carga de corriente alterna. En otras palabras, la corriente sinoidal pico a pico y el voltaje vienen determinados por la recta de carga

Para señal alterna.Ya que la recta de carga de AC tiene una pendiente mayor que la de DC el máximo pico a pico (MPP) de salida es siempre menor que el voltaje de alimentación MPP< VCC . Ejemplo: Si el voltaje de alimentación es 10 V, la salida sinoidal pico a pico es menor de 10 V.

Recorte de señales grandes: Cuando el punto Q está en el centro de la recta de carga para DC, la señal alterna no puede usar toda su recta de carga sin recortarse, produciendo distorsión en la señal, efecto no deseable.Un amplificador para señales grandes bien diseñado tiene el punto Q en medio de la recta de carga para señal AC, consiguiendo en este caso la máxima señal de salida pico a pico sin recorte.

Salida máxima: cuando el punto Q está por debajo del centro de la recta de carga para AC el pico máximo (MP) de la salida es MP = ICQrC y si el punto Q está por encima del centro de la recta de carga para la señal AC, el pico máximo de salida es MP = VCEQ.

Para cualquier punto Q el pico máximo de salida es:

<>

Q*

>

>I c

V c e

Ic q . r e

>

*

<V c e

V c e>

I c

Q

>

MP = ICQrC o VCEQ

El que sea menor. Luego el máximo pico a pico de la salida será el doble del máximo pico.

MPP = 2MPCon esto podemos ver la detección de averías para

Determinar la salida máxima sin recorte. Cuando el punto Q está en el centro de la recta de carga para la señal alterna ICQrC = VCEQ Se diseña para satisfacer esta condición lo máximo posible, considerando la tolerancia de las resistencias de polarización.

V b

1 0 K

1 K

V C C+ 1 0 V

V e2 , 2 K

3 , 6 K

6 0 0 1 0 K

Ejemplo:Hallar ICQ, VCEQ, rC, y MPP. Del divisor de baseVb = (10 Vx2,2 K)/(10 K+2,2 K) = 1,8 VICQ = (Vb–VBE)/RE = (1,8-0,7)/1 K = 1,1 mAVCEQ = VCC- RCICQ-REICQ = 10-(1,1mAx3,6K) – (1Kx 1,1mA) = 10-3.96-1.1 = 4.94 V

rC = RC R║ L = (3,6Kx10K)/(3,6K+10K) = 2.65 KICQrC = 1,1mAx2.65K = 2,92 V Viendo cual de los dos voltajes es el menor valor entre ICqrC = 2,92 y VCEQ = 4,94 vemos que ICQrC = MP = 2,92 V es el menor.Por tanto el valor de MPP = 2MP = 2x2,92V = 5,84 VPP

Amplificadores Clase A:El amplificador con polarización de voltaje por divisor de voltaje en la base se usa frecuentemente como amplificador tipo clase A, ya que la señal de salida no está recortada, y en este tipo de amplificador, la corriente de colector circula durante todo el tiempo del ciclo de la señal de AC.Ganancia de Potencia: Además de loa ganancia de voltaje todo amplificador tiene una ganancia de potencia definida como:

G = POUT/PIN

La ganancia de potencia es igual aq la potencia de salida dividida por la potencia de entrada de señal.

R 2

R E

R L

+

C

V C C

C

C

V i n

R 1

Ejemplo:Si la POUT = 10 mW y la PIN = 10 µW, cuál será la ganancia de potencia del circuito?

G = 10 mW/10 µW = 1000 veces.Potencia de Salida: Si se mide el voltaje de salida con un voltímetro RMS, la potencia de salida viene dada por POUT = VRMS

2/RL . Cuando medimos el voltaje de salida pico a pico con un osciloscopio entonces POUT = VOUT

2/8RL , el 8 sale de VPP = (2√2)2 La máxima potencia de salida se produce cuando el amplificador está generando la salida máxima pico a pico. En este caso VPP iguala la salida máxima pico a pico y por tanto la potencia de salida maxima es:

POUT(MAX)= MPP2/8RL

Disipación de potencia en el transistor: Si no hay una señal que exite al transistor la potencia de disipación es:

PDQ = VCEQ x ICQ Debido a esto se dice que la disipación de potencia es igual al voltaje en DC por la corriente en DC. Cuando aparece una señal, la potencia de disipación del transistor disminuye, ya que el transistor transforma parte de la potencia de reposo

En potencia de señal. Por esta razón la disipación de potencia sin señal es el peor de los casos. Luego la disipación del transistor debe ser mayor que PDQ para que el transistor no se destruya.

Consumo de corriente: La fuente de voltaje DC proporciona la corriente IDC al amplificador. Esta corriente tiene dos componentes, a) la corriente de polarización a través del divisor de voltaje y b) la corriente de colector que atraviesa el transistor. Se llama corriente de consumo de la etapa, si tenemos varias etapas hay que sumar la de cada etapa para obtener el consumo total.

Rendimiento: La potencia que entrega la fuente de alimentación al amplificador es: PDC = VCC x IDC Podemos comparar los diseños de los amplificadores de potencia usando el rendimiento definido como:

η = (POUT/PDC)x100%O sea es la potencia de la señal de salida, dividida entre la potencia en continua de entrada entregada por la fuente. Nos indica que tan eficiente un amplificador transforma la potencia de entrada en pote4ncia de salida

Alterna. Esto es importante en equipos alimentados con pilas, pues así tendrán mayor duración.Como todas las resistencias excepto la de carga tienen pérdidas, el rendimiento η < 100%. El máximo rendimiento en un amplificador clase A es del 25%. Cuando el consumo es de unos pocos milivatios, el consumo de corriente de la fuente es aceptable, pero en etapas de potencia donde el consumo es de varios vatios no es permisible el consumo alto de corriente y no se usan amplificadores clase A.

Ejemplo: El voltaje de salida es de 6.3 Vpp y la impedancia de entrad a la base es de 3 KΩ. a) Cuál es la ganancia de potencia del circuito? El circuito equivalente para AC donde Zin es:1 0 K

V C C

4 . 7 K

5 0m V p p 6 8 0

+

V eV b2 , 2 K

3 , 6 K

1 0 V

2 . 2 K 3 . 6 K3 K1 0 K Ic 4 . 7 K

ZIN = 10 K 2.2 K 3 K = 1.13 K║ ║ Ω. La potencia de entrad en continua es:

PIN = (50 mVPP)2/ 8x1.13 KΩ = 0.277µWLa potencia de salida alterna es:

POUT = (6.3VPP)2/8x4.7K = 1,02 mWEntonces la ganancia de potencia es:

G = 1.02mW/0,277µW = 3,682La potencia disipada por el transistor será, veamos el voltaje de base para hallar la corriente de emisor.Vb = (10Vx2.2K)/(10K+2.2K) = 1.8 V luego VE = Vb- VBE = 1.8 – 0.7 =1.1V Entonces IE = 1.1V/680Ω = 1,62 mA entonces VCEQ será:VCEQ = Vcc – IEx3.6K – VE = 10V – 4.17V – 1.1V = 3.07V Luego la disipación de potencia en el transistor es: PDQ = VCEQxICQ = 3.07Vx 1.62mA = 4,97 mW. Luego el rendimiento será, Ipolarización = 10V/12.2K = 0.82 mA luego el consumo de corriente total es en DC sin señal: IDC = 0.82mA+1.62mA = 2.44mA Luego la potencia de entrada en DC es PDC = VCCxIDC = 10Vx2.44mA = 24.4 mW. Por tanto el rendimiento es:

η = (1,02 mW / 24.4 mW) x 100% = 4.2%