transistores de potencia

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ELECTRÓNICA DE POTENCIA ELECTRÓNICA DE POTENCIA Investigación de los transistores de potencia Investigación de los transistores de potencia Tarea #3 Tarea #3 UAN L UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN FIME FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

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Clase de transistores de potencia y sus principales caracteristicas

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Page 1: Transistores de potencia

ELECTRÓNICA DE POTENCIA ELECTRÓNICA DE POTENCIA

Investigación de los transistores deInvestigación de los transistores de potenciapotencia

Tarea #3Tarea #3

UANL

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE NUEVO LEÓN

FIMEFACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

Page 2: Transistores de potencia

San Nicolás de los Garza, Nuevo León a Marzo 24 de 2015

Investigación de los transistores de potencia

Amplificadores clase A

El esquema siguiente es un esquema típico de etapa amplificadora para Audio Frecuencia que trabaja en clase A.

Aunque en este caso hemos dibujado una salida por transformador (T2), la carga (un altavoz, por ejemplo) puede ir conectada directamente al circuito del colector; en la mayor parte de los casos se suele utilizar la salida por transformador debido a dos motivos fundamentales:

El primero es que la carga se mantiene aislada de la salida del transistor por lo que podemos conseguir en todo momento la máxima potencia de la etapa;

El segundo es que la carga podemos mantenerla independiente de la alimentación de c.c. (corriente continua), por lo que la pérdida de potencia en c.c. es mínima, debido a la mínima resistencia que ofrece el primario del transformador.

Acabamos de mencionar dos potencias: la que nos entrega el amplificador y la que consume la etapa.

En estos amplificadores de potencia hay un factor que liga ambas potencias y que define el funcionamiento del mismo, es el rendimiento de conversión (h ), se define como "la relación entre el valor eficaz de la potencia alterna suministrada a la carga y la potencia media extraída de la fuente de alimentación del colector".

Aunque en el tema anterior decíamos que todos los amplificadores de clase A no tenían corriente de base (reja), este tipo de amplificadores es siempre de clase A2; esto que puede parecer una incongruencia, no lo es, pues de aquella nos estábamos refiriendo a amplificadores de tensión o corriente, no de potencia, y con válvulas (además decíamos

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que esa notación se podía aplicar a los amplificadores transistorizados porque explicábamos que esta notación venía de los amplificadores con válvulas).

Hecha esta aclaración, si el amplificador es de clase A2, cuando el amplificador está en reposo, por su base está circulando corriente. Además, esta corriente, suele ser bastante elevada por lo que los valores de las resistencias de loscircuitos de polarización (Re, R2 y R3) suelen ser muy bajos (por debajo de un ohmio Re, y la resultante del paralelo R2, R3 de muy pocos ohmios).

Aunque hemos representado una etapa simple, con un solo transistor, este tipo de amplificadores se pueden montar también en contrafase (o push-pull).

Amplificadores clase B

Uno de los principales inconvenientes de los amplificadores en clase A es que, en reposo, están consumiendo corriente por lo que el rendimiento de conversión se hace bastante bajo.

Para mejorar este rendimiento, y por tanto aprovechar al máximo la potencia entregada por la fuente de alimentación, los amplificadores se suelen construir en clase B

Por norma general, los amplificadores que se van a hacer trabajar en clase B, se montan con transistores que trabajen en contrafase (push-pull); con el fin de minimizar los armónicos que se pueden generar en este tipo de montajes, estosamplificadores adoptan una serie de montajes determinados.

Señal de entrada y salida para amplificadores clase A y clase B

En la figura que hay arriba, vemos como el amplificador en clase A (en azul), debido a que su curva de respuesta es casicontinua, la continuación en las senoides de la señal de

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salida es uniforme; en el amplificador de clase B (en rojo), debido al desplazamiento de las curvas, se produce un pequeño salto entre las senoides de la señal de salida (se producen armónicos).

A este salto entre las dos senoides es a lo que se le conoce como distorsión de cruce del amplificador; el "aplanamiento" al que tiende la señal es debido a que en la señal de salida se producen armónicos impares de la frecuencia de la señal.

En este tipo de montajes, una cuestión a tener en cuenta (muy importante) es que los dos transistores deben tener las mismas características en cuanto a tensiones, ganancias, etc.

Si no ponemos dos transistores con las mismas características, puede ocurrir que, uno de los semiciclos tenga mas amplitud que el otro (debido a que un transistor tiene mas ganancia que otro) con lo que aumentaríamos la distorsión de la etapa.

Para minimizar el efecto de la distorsión de cruce, los transistores se suelen polarizar de forma que se les introduce una pequeña polarización directa. Con esto conseguimos desplazar las curvas y disminuimos dicha distorsión de cruce.

Amplificador clase AB

Se dice que este amplificador posee un comportamiento en clase A y clase B [2]. En este amplificador, el funcionamiento del dispositivo de potencia es mayor a los 180° y menor a 360°.

El amplificador de simetría complementaria puede ser modificado de acuerdo al

esquema indicado. Para lo cual se requiere que VBB2

= VBE =VEB, lo que asegure que

ambos transistores queden al borde de la conducción.

Amplificador Clase AB de simetría complementaria

Luego un pequeño voltaje positivo hará que conduzca el transistor NPN, de forma análoga el transistor funcionar con un pequeño voltaje negativo en la entrada.

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De acuerdo a esto se indican las variantes de la Fig. 23, esto permite que los transistores entren en operación al recibir la señal de entrada.

Amplificador clase C

En esta clase de amplificadores el elemento activo conduce un tiempo t1– t2 en cada periodo T = 2 / o, de forma que el semiángulo de conducción, definido como 2 =π ω θο

o(t1– t2) sea inferior a /2. En el clase B = /2, mientras que = en el clase A.ω π θο π θο πSu esquema es similar a del la clase A que se muestra en la figura 7.1 y que repetimos aquí para comodidad del lector, pero en este caso es imprescindible poner en paralelo con RL un circuito LC sintonizado.

La tensión VBB es ahora negativa, de forma que el BJT sólo entra en zona activa alrededor del máximo de vi, cuando vi + VBB > 0.7 V.

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Si asumimos que en toda la zona activa la corriente de colector es proporcional a la tensión de control, para una entrada sinusoidal toma la forma representada en la figura 7.7. Esta corriente puede escribirse como

iC = IPcos( ot) – ID, mientras sea IPcos( ot) ≥ IDω ω

iC = 0, en el resto Y puesto que en ot = ± tenemos iC = 0, resulta que ID =ω θο IPcos( ). La función iC(t) es par y por eso puede descomponerse en serie de Fourierθο como

iC = Io + I1cos(ωot) + I2cos(2ωot) + ····

Donde Io es su valor medio, I1 la componente fundamental y el resto, de I2 en adelante, armónicos

Las tensiones vCE y vo tienen una forma sinusoidal porque el filtro LC cortocircuita todos los armónicos de iC(t) y sólo deja la componente fundamental.

La potencia entregada a la carga es:

El consumo de potencia, despreciando la potencia empleada para polarizar el BJT, es:

Donde ICQ = Io.

El rendimiento máximo se obtiene cuando vo toma la máxima amplitud posible, VCC si aproximamos VCE,sat, = 0, y para eso se requiere que I1RL = VCC. En ese caso el rendimiento sólo depende de .θο

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En la figura 7.8 se muestra el rendimiento máximo en función del semiángulo de conducción. Si = 180º max = 50 % (Clase A), si = 90º max = 78 % (Clase B) yθο η θο η para la clase C siempre es superior. Si = 0º max = 100 %, claro que en este caso laθο η corriente máxima que debería soportar el transistor es infinita. Así que un buen compromiso consiste en emplear = 60º para obtener max = 90 %. θο η

Notar que, a diferencia de la clase A o B, la clase C no es un amplificador lineal: la salida es nula hasta que la amplitud de la tensión de entrada supera VBB + 0.7. Este amplificador sólo puede usarse para FM o PM porque emplea señales de amplitud constante o para señales digitales y de banda estrecha.

Amplificador clase D

Este es el tipo básico de amplificador en que los transistores trabajan en conmutación, pasan del estado de corte al de conducción y viceversa de forma instantánea. Su esquema se muestra en la figura 7.13a. La señal de entrada, vin, debe ser cuadrada y de suficiente amplitud para llevar los transistores alternativamente de corte a saturación (de corte a zona lineal si son MOSFETs). Trabajando en este modo el transistor se puede asimilar a un interruptor ideal (abierto en corte, cerrado en saturación). Al reemplazar los transistores por interruptores resulta el circuito equivalente que se representa en la figura 7.9b.

En este circuito la señal vx es cuadrada de amplitud ±VCC. El circuito LC está sintonizado a la frecuencia fundamental de vin (la frecuencia de trabajo) y tiene un Q elevado: a RL solo le llega la componente fundamental de vx.

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Además, a esa frecuencia Zin = RL por lo que:

Esta corriente circula durante medio periodo por QN y en el otro medio por QP. Las tensiones y corrientes en el circuito se muestran en la figura 7.10

La potecia entregada a la carga es:

Y la potencia total disipada es la misma, porque en todo el circuito tan sólo la carga disipa potencia, así que el rendimiento es = 100%.η

Si los transistores no son ideales, en cuanto a que en conducción no tienen resistencia nula (Ron ≠ 0),el circuito equivalente es el que se muestra en la figura 7.15

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Este tipo de amplificadores no son lineales (muchas veces ni siquiera ganan en tensión, sólo en corriente), sólo se pueden aplicar a señales de amplitud constante, como por ejemplo las moduladas en PM o en FM (pero de banda muy estrecha), o a señales digitales. En RF no se suelen emplear debido a que las pérdidas de conmutación en los transistores son elevadas. Estas pérdidas se producen en los transitorios de corte a conducción y de conducción a corte, porque durante los transitorios ni la corriente ni la tensión en el transistor es nula. En RF se emplean los amplificadores clase E y F que emplean un solo transistor trabajando en conmutación y un circuito optimizado para reducir las pérdidas de conmutación.

Amplificador clase E

El amplificador en clase E presenta una alta eficiencia: el transistor actúa como un interruptor y la red de cargado acaricia las formas de ola de la tensión y la corriente para evitar que en el transistor se tengan simultáneamente altos niveles de corriente y tensión, minimizando especialmente la potencia disipada durante la conmutación. Típicamente, la clase E presenta pérdidas de potencia más pequeña de un factor igual a 2.3 con respecto de una clase B o C, a igualdad de transistor, frecuencia y potencia de salida. El contenido armónico es parecida al de una clase B y puede ser planeado para trabajar en banda estrecha. Los efectos de las variaciones paramétricas y frecuencia están bastante contenidos. 

La eficiencia se maximiza minimizando la potencia disipada por el aparato, producido, instante por instante, de tensión y corriente, integrado e indirecto en el período a RF, en correspondencia de una deseada potencia de salida. En tales condiciones, el transistor tiene que sustentar altas tensiones en un semiperiodo y altas corrientes en el otro; el producto tensión-corriente en el transistor será bajo porque: 

1.state "on": la tensión es casi nula cuando circulan elevados niveles de corriente y el transistor es comportado por interruptor a cerrado habiente baja resistencia; 

2.state "off": la corriente es nada en correspondencia de altos valores de tensión y el transistor es comportado por interruptor abierto. 

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Para que durante el cambio de estado, de duración igual a una fracción del período RF, el producto tensión-corriente sea nulo: 

1.el incremento de la tensión es retardado hasta que la corriente no se ha reducido a cero; 

2.la tensión vuelve a cero primero que los corrientes principios a crecer. 

Estas dos condiciones son conseguidas por la red apuesta entre el dispositivo activo y la carga. 

Otros dos tretas sobre las formas de ola para reducir la potencia disipada, son: 

1.La tensión del transistor al instante del encendido es nominalmente nada o igual a la tensión de saturación. Pues, el encendido del aparato no descarga la capacidad de shunt, C1 en fig. 22.3, evitando de ello la disipación de la energía almacenada, C1 V2 / 2, f vuelto al segundo, dónde V es la tensión inicial del condensador al encendido del transistor y a f es la frecuencia de funcionamiento. , C1 comprende la capacidad de salida del transistor y una capacidad externa en paralelo con ella.) 2.La inclinación de la forma de ola de la tensión del transistor es nada al instante de encendido. Por tanto, la corriente inyectada en el transistor encendido por la red de carga, crece dulcemente de cero con una tasa moderada y controlada, consiguiendo una baja potencia disipado i2R, mientras que la conductancia del transistor aumenta partiendo de cero durante lo transitorio.

Amplificador clase F

El amplificador de potencia clase F emplea circuitos resonantes de armonica con el objetivo de reducir las perdidas y elevar la eficiencia.

Los amplificadores de potencia clase F con circuitos resonantes sontonizados en la tercera o quinta armonica se utilizan generalmente en modulación de amplitud de alta potencia, en transmisores de radiodifucion en baja frencuencia LF (30 – 300 KHz), frecuencia media MF (0.3 – 3 MHz) y alta frecuencia HF (30 – 300 MHz), FM, UHF (300 MHz – MGHz).

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Amplificador de clase G

Un amplificador de clase G es una versión más eficiente que un amplificador clase AB, el cual usa conmutación para disminuir el consumo de potencia e incrementar la eficiencia. Este modo usa dos o más juegos de transistores de rendimiento conectados a diferentes suministros de voltajes.

El funcionamiento del amplificador clase G involucra el cambio de la fuente de voltaje desde un nivel bajo hasta un nivel más alto cuando se requiere la máxima oscilación de salida. Existen varias maneras de hacer esto. El camino más simple involucra una etapa de un amplificador clase AB el cual es conectado a dos fuentes de voltaje por medio de diodos, o una conmutación con transistores. Otro acercamiento usa dos clases AB en la etapa de salida, cada uno conectado a diferentes fuentes de voltaje, donde la magnitud de la señal de entrada determina la trayectoria de la señal. Usando dos fuentes se mejora la eficiencia lo suficiente para permitir significativamente más potencia para determinar la carga.

Amplificador clase H

Este amplificador usa un banco simple o transistores de salida conectados a un suministro de bajo voltaje, junto con algunos medios para conmutar a un suministro de

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superior voltaje cuando sea requerido. De este modo el amplificador presenta un excelente rendimiento. Este método tiene los mismo beneficios térmicos como el clase G, pero evita el segundo banco de transistores de salida, reduciendo el tamaño y costo del amplificador. L operación del clase H toma el diseño del clase G un paso mas allá y modula el suministro de voltaje más alto por la señal de entrada. Esto permite al suministro de potencia rastrear la señal de entrada y proporcionar el voltaje suficiente para una operación optima de los dispositivos de salida (esto se conoce como rail – tracker). La eficiencia del clase H es comparable a los diseños del clase G.