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Amplificadores de Audio Potencia
Clasificación de los Amplificadores de
Audio Potencia
• Clase A
• Clase B
• Clase AB
• Clase D
1
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador de potencia clase A
2
La corriente que fluye porla carga es igual a 360ºcon respecto a la señalde entrada.
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador de potencia clase B
3
La corriente que fluye porla carga es durante 180º,es decir, solo un semiciclo dela señal de entrada.
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador de potencia clase AB
4
La corriente que fluye porla carga es mayor que y menor que 2 .
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador de potencia clase C
5
La corriente que fluye porla carga es menor a 180º de la señal de entrada.
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador clase D.
6
Este amplificador tiene la particularidad de funcionar entre la región de corte y saturación. Con este proceso se puede generar más rendimiento en el transistor y una mejora en la potencia entregada a la carga.Se puede trabajar sobre la hipérbola máxima de disipación, si la velocidad de conmutación es la adecuada.
•Amplificador clase A con carga RL
ICQRC
C
RL
RE
RB
ii
+ VCC
VBB
7
tII
I
MAXCi
i
además
,sinosoidal señal una es
cos
Amplificadores de Audio Potencia
Amplificadores de Audio Potencia
•Análisis en CC y CA del amplificador clase A.
ICQRC
C
RL
RE
RB
ii
+ VCC
VBB
8
CEECCCC
VRRIV
CC en carga de Recta
CEELCCCC
VRRRIV //
CA en carga de Recta
Amplificadores de Audio Potencia• Potencia alterna disipada en la carga RL (PL).
9
100fuente la entrega que continua Potencia
carga laen disipada alterna Potencia
:por dado esta orendimient El
2 pero max2 C
efLrmsLefL
IIRIRIP
AC
LC
L
LC
L
RI
P
RI
P
AC
AC
2
2
2
max
2
max
Potencia promedio debido a
la corriente alterna disipada
en la carga.
Amplificadores de Audio Potencia
• Gráfico de señales en un amplificador.
10
Figura 19.6 Oscilación
de la
corriente
IC de
salida
Señal de
Entrada
Vi
Oscilación de la
señal de salida
Amplificadores de Audio Potencia
•Recta de carga de un amplificador clase A.
2
IC
ICQ
2•ICQ
VCC VCC VCE
Q
hipérbola de máxima disipación de potencia
11
punto del depende
de máximo El
máxima. sea
cuando máxima será
Q
I
I
P
CM
CM
LAC
Amplificadores de Audio Potencia
•Recta de carga de un amplificador clase A.
2
IC
ICQ
2•ICQ
VCC VCC VCE
Q
12
LCQ
L
CQC
RI
P
II
AC
2
2
max
Amplificadores de Audio Potencia
•Recta de carga de un amplificador clase A.
2
IC
ICQ
2•ICQ
VCC VCC VCE
Q
13
EL
CCCQ
EL
CCCCCQ
EL
CEQCCCQ
CEQELCQCC
RR
VI
RR
VVI
RR
VVI
VRRIV
2
2
2
CCCEQ
VV
Amplificadores de Audio Potencia
•Recta de carga de un amplificador clase A.
L
CC
L
EL
EL
LCC
L
R
VP
RR
RR
RVP
AC
AC
8
8
2
2
2
max
max
si
2
IC
ICQ
2•ICQ
VCC VCC VCE
Q
14
Práctica con PROTEUS
• Amplificador de potencia clase A
Diseñar un Amplificador de Potencia clase A y simularlo en Proteus
RL = 8Ω
PL = 2 watts
VCC = 15 (v)
15
Amplificadores de Audio Potencia
• Potencia disipada por la fuente (Pcc).
16
Para Mss
EL
CCCQ
RR
VI
2
EL
CCCC
EL
CCCCCC
RR
VP
RR
VVP
2
22
L
CCCC
EL
R
VP
RR
2
2
Si
PCC = VCCICQEsta potencia es constante e independiente
de la señal de entrada.
Amplificadores de Audio Potencia
• Pot. promedio total disipada en el transistor (Pc).
17
ELCCC PPPP
ELE
ELL
C
CC
RRP
RRP
P
P
y en disipada DC Potencia
y en disipadaCA Potencia
r transistoelpor disipada Potencia
fuente lapor disipada Potencia
22
CMELCQELCCC IRRIRRPP
Pot. en CC Pot. en AC
Pc representa la
disipación interna
del transistor y
la especifica el
fabricante.
Amplificadores de Audio Potencia
• Pot. promedio total disipada en el transistor (Pc).
18
2
CQELCCC IRRPPMAX
L
CCC
EL
EL
CCC
R
VP
RR
RR
VP
MAX
MAX
4
4
2
2
Si
0 terminaleldecir Es
aplicada. entrada de señalhay
no cuando produce Se
CM
C
I
PMAX
Amplificadores de Audio Potencia
• Eficiencia ( ) en un amplificador (rendimiento).
19
100CC
L
P
PAC 2
22
2
2
CC
LCM
V
RI
L
CC
LCM
EL
R
V
RI
RR
2
2
Si
2
2
Amplificadores de Audio Potencia
• Eficiencia ( ) en un amplificador (rendimiento).
20
MaxMAXAC
MAXACAC
CCL
LCC
LCC
LL
PP
RV
RV
PP
25,0
%254
1
2
8
cuando ocurre eficiencia máxima La
2
2
AMPLIFICADOR COMPLETAMENTEINÚTIL: SOLO PARA TRABAJAR EN BAJA POTENCIA, ES DECIR MENOR A 1 WATT.
Amplificadores de Audio Potencia• Figura de mérito (es una relación entre la potencia disipada
por el transistor, respecto a la potencia disipada en la carga).
• Significa que para disipar 1 watt en la carga, el transistor debería disipar 2 watts (el doble).
21
LCC
LCC
L
C
RV
RV
P
P
MAXAC
MAX
8
42
2
MAXACMAX LC PP 2
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador de potencia clase A con carga inductiva.
22
- Con RL una gran cantidad de potencia se disipa en ella
a causa de ICQ
- Esto da como resultado un = 0.25 como máx.
- Reemplazando RL por una gran inductancia (choke),
veremos que el rendimiento ( ) aumenta.
Amplificadores de Audio Potencia
• Amplificador de pot. clase A con carga inductiva.
23
LfX
RR
L
EL
Si
2
Amplificadores de Audio Potencia
• Recta de carga de un amplificador con carga inductiva.
24
CEQCE
L
CQC VVR
II 1
M.S.S. para
sintercepto los Para
L
CCCQ
CCCEQ
L
CEQ
CQ
R
VI
VV
R
VI
Amplificadores de Audio Potencia
• Recta de carga de un amplificador con carga inductiva.
25
Figura 20.2
CCCE
CCCE
LCQCEQCE
CEC
VV
VV
RIVV
VI
MAX
MAX
MAX
MAX
2
2
0
M.S.S. Para
ACen (R.C.) carga de recta
Cuando
Amplificadores de Audio Potencia
Cálculo de potencia.Potencia transferida a la carga
26
tsenII
II
tsenII
CQC
CQCM
CMC
M.S.S. Para
L
CCCCCC
CQCCCC
R
VVP
IVP
fuente lapor entregada Potencia
L
CCL
L
L
CCL
LCQ
L
LCM
L
LefL
R
VP
RR
VP
RI
P
RI
P
RIP
MAX
MAX
2
2
2
2
2
2
2
2
2
M.S.S. Para
Amp. clase A con carga inductiva
Amplificadores de Audio Potencia
• Potencia disipada en el transistor (Pc).
27
Amplificador. clase A con carga inductiva
L
CCC
LLCC
L
CCC
L
CCC
CM
R
VP
RRV
R
VP
R
VP
I
MIN
MIN
2
2
0
2
22
2
cuando
obtiene se potencia máxima La
2
22
LCM
L
CCC
LCCC
ELCCC
RI
R
VP
PPP
PPPP
Amplificadores de Audio Potencia
•Rendimiento ( ).•Figura de mérito
(se mantiene).
28
%5050
IIcuandomáximaseráη 2
2
2
CQCM2
22
2
.
V
RI
IV
RI
P
P
CC
LCM
CQCC
LCM
CC
L
2
MAX
MAX
L
C
P
P
Amp. clase A con carga inductiva
Amplificadores de Audio Potencia
• Ejercicio propuesto.
29
Para el ejercicio obtener máxima transferencia de potencia
a la carga (PLMAX) calcular además N y VCC.
Amp. clase A con carga inductiva
Amplificadores de Audio Potencia
•Amp. clase A acoplado por transformador
RL
+
-
V1
V2
+
-
N : 1I1
I2
30
voltajedeelevador 1 N Si
voltajedereductor 1 N Si
Representación eléctrica del transformador.
Amplificadores de Audio Potencia
•Amp. clase A acoplado por transformador.
RL
+
-
V1
V2
+
-
N : 1I1
I2
31
2
1
21
21
1I
NI
VNV
2en
LL
L
i
i
i
i
RNR
RNI
V
IN
VN
I
V
2
2
2
2
1
1
N es la relación de vueltas de la bobina.
Figura 21.1
Amplificadores de Audio Potencia
• Amp. clase A acoplado por transformador.
32
Circuito básico de amp. acoplado por transformador
2
LL RNR RL'
AC
RE
+VCC
Amplificadores de Audio Potencia
•Amp. clase A acoplado por Transformador
RL'
AC
RE
+VCC
33
Este es el circuito equivalente
que ve la corriente alterna en
su paso por el amplificador.
Comportamiento en AC.
Las ecuaciones de potencias vistas
anteriormente para un amp. con carga
inductiva se cumplen de igual manera
para este amplificador. Se reemplaza
RL por R’L
Amplificadores de Audio Potencia
• Ejercicio propuesto.
34
Determinar el M.S.S. y la máxima potencia disipada
en la carga, dibujar la hipérbola y la recta de carga
en alterna. Calcular Icq, Vceq, Vcc, PLmax y otros.
Amp. clase A acoplado por transformador.
Amplificador clase B push-pull
Circuito básico de un amplificador clase B push-pull
T1
1:1
Q2
Q1
VCC
T2
N:1
RLIi
35
Figura 22.1
Amplificador clase B push-pull
• Gráfico de ondas presentes en el amplificador
36
Figura 22.2a Figura 22.2b
Amplificador clase B push-pull
• Indique como se evita la distorsión de cruce por cero
• Dibuje la solución
37
Amplificador clase B push-pull
• Determinación de la recta de carga
38Este es el circuito que recorre, un solo semiciclo de la señal.
Figura 22.3
Amplificador clase B push-pull
•Determinación de la recta de carga•IC
=
Recta decarga en A.C.
Recta decarga en D.C.
iCVCE
- 1
RL'
VCEVCC
Máxima señal de salidaen "un" transistor
39
Amplificador clase B push-pull
• Determinación de la recta de carga
40
Figura 22.5
La corriente que entrega la fuente
es pulsante, puesto que no existe
IIN no circula corriente en el
colector, y la corriente que se ve
en este punto es idéntica en la
forma de onda de la señal de entrada.
Figura 22.4
• Cálculos de potencia
41
tsenII imi Sea
CCCMCC
CCCM
T
T CCCCCC
VIP
VIdttItIT
VP
2
2
1
fuente lapor dasuministra Potencia
2
2
21
Amplificador clase B push-pull
• Cálculos de potenciaPOTENCIA ENTREGADA POR LA FUENTE
42
L
CCCC
CC
L
CCCC
CCCMCC
CMCC
R
VP
VR
VP
VIP
IP
MAX
MAX
MAXMAX
MAX
22
2
2
máximo sea cuando obtiene se El
Amplificador clase B push-pull
• Potencia transferida a la carga (PL)
43
LCmL
LCmLCmLLmL
RIP
RIRNIRIP
2
2222
2
1
2
1
2
1
2
1
L
CCL
R
VP
MAX
2
2
Amplificador clase B push-pull
• Potencia disipada en el colector
44
(1) 2
22
2
2
CmLCMCCC
LCCC
IRIVP
PPP
L
CCC
R
VP
MAX
2
1.0
(1)en (2)
(2) L
CCCm
CmLCC
Cm
C
R
VI
IRVI
P
2
022
Amplificador clase B push-pull
• Rendimiento ( )
45
L
CC
CM
CMCC
CML
CC
L
RV
I
IV
IR
P
P
4
22
1
2
%5.78
785.04
MAX
MAX
L
CC
CMMAXR
VI
Amplificador clase B push-pull
• Figura de mérito
46
MAXMAX
MAX
MAX
LC
L
CC
L
CC
L
C
PP
R
V
R
V
P
P
5
1
2
2
22
2
2
TABLA RESUMEN(con RL>RE)
47
78,5 %B o AB
50 %A
(INDUCTIVO)
25 %A
(resistivo)
Figura de mérito
RENDIMIENTO
POTENCIA DISIPADA EN EL
TRANSISTOR
PD
POTENCIA SUMINISTRADAPOR LA FUENTE
PCC
POTENCIA DISIPADA EN
LA CARGA
PL
CLASE
L
CC
R
V
8
2
L
CC
R
V
2
2
L
CC
R
V
2
2
L
CC
R
V
2
2
L
CC
R
V2
L
CC
R
V
22
L
CC
R
V
4
2
L
CC
R
V2
L
CC
R
V
2
1.0
MAXACMAX LC PP 2
MAXACMAX LC PP 2
MAXMAX LC PP 5
1
Otros amplificadores de potencia
•Amplificador clase B simétrico complementario.
Vi
RL
VCC1
VCC2
VL
-
+
+
-
T1
T2
48
Otros amplificadores de potenciaAmplificador en contrafase de simetría complementaria con Transistores
Darlington.
R1
ViC1
RE
RE
VCC1
VCC2
VOR
C
R2
49
Otros amplificadores de potencia
Amplificador en contrafase cuasicomplementario.
50
Figura 23.3
Otros amplificadores de potencia
Amplificador en
contrafase
cuasicomplementario
con corrección de
distorsión de cruce
por cero.
51
Figura 23.4a
Otros amplificadores de potencia
Amplificador en
contrafase
cuasicomplementario
con corrección de
distorsión de cruce
por cero.
52
Figura 23.4b
Analogía térmica de un transistor de potencia.
ambiente) al disip. (delcalor dedisipador del térmicaResist.θ R
) disip. al oencapsulad (del oaislamient del térmicaResist.θ R
o)encapsulad alunión la (der transistodel térmicaResist.θ R
ambiente) alunión la (de total térmicaResist.θ R
SASA -th
CSCS -th
JCJC -th
JAJA -th
DISIPADORES DE CALOR
53
Analogía térmica a eléctrica
Figura 23.6
2154
DISIPADORES DE CALOR
Analogía térmica de un transistor de potencia.
55
SACSJC
AJD
DJCCJ
AJADJ
SACSJCJA
TTP
PTT
TPT
WCaR
a
s
c
j
TMCjcº
Ambiente
Disipador
Carcasa
Juntura
cálcular. debe se
.fabricante el entrega lo y de valor El
SA
JCJA
Problema resuelto
•Un Transistor de potencia se opera con un disipador de calor (SA=1,25ºC/W) . El Transistor, con una potencia de nominal de 150 W (25 ºC), tiene JC=0,5ºC/W y el aislamiento de montaje tiene CS=0,6ºC/W. ¿Qué potencia máxima se puede disipar si la temperatura ambiente es de 40ºC y TJmáx=200ºC
•Calcule el área de disipación
•SOLUCIÓN:
56
WWCWCWC
CCTTP
SACSJC
Aj
D08,68
/º25,1/º6,0/º5,0
º40º200
•La disipación es de 68,08 W, que no supera la potencia nominal
del transistor.
•El área de disipación se puede encontrar en el gráfico de la
transparencia siguiente y sería de 235 cm2 , para aluminio
normal o no ennegrecido de 1,5 mm de espesor
Disipadores de calor – Cálculo de Áreadel Disipador (heatsink)
ºC/W
0
1.1
1.2
1.3
1.4
SA
50 100 150 200 250 300
Area (cm2) one side
1 mm blackened Aluminium
1.5 mm unblackened Aluminium
1 mm unblackened Aluminium1,385
1,12
235 cm2
1,255
57
Disipación de Calor
58
En las especificaciones técnicas provistas por los fabricantes de
semiconductores, uno de los datos que se provee es la máxima
disipación posible, para que no se destruya el componente.
Encapsulado
TO-3
59
Descripción
Donde
Siendo la temperatura de la juntura:
La resistencia térmica total es:
Encapsulado TO-220
60
En general se puede decir
que:
JC Está determinada por
el fabricante y es dato que
aparece en los manuales.
CH Determinada por el
tamaño y calidad de las
áreas de contacto, entre la
carcaza y el disipador, el
uso de materiales
intermedios y la presión de
contacto.
HA Determinada por el diseño del disipador, i.e. material y forma. La selección de un
disipador es un compromiso entre la mayor seguridad de funcionamiento del
semiconductor y el costo del disipador.
Ejemplo de ConstrucciónDISIPADOR de extrusión de Aluminio anodizado negro
Modelo Dimensiones A mm
(pulgadas)
Dimensiones B mm
(pulgadas)
Rth (°C/W)
6660B 152.40 (6.000)
127.00 (5.000)
0.4
6690B 228.60 (9.000)
203.20 (8.000)
0.2
61
Disipadores de calor
RESISTENCIA TÉRMICA
Gráfico de
disipación
de calor
en un disipador de
aluminio.
(oC/Watt v/s área).
62AREA
Ejemplos
63
Hojas de datos de transistoresde potencia
-2N3055
-2N5303
-2N5630
-BD241C
-BD243C
-BD245C
-TIP29C
-TIP33C
-TIP41C
Circuitos Integrados
-TDA2003
-TDA7297(pte)
-TDA7490(clase D)
-LM4651(clase D)
64
Problemas Resueltos
65
66
1. a. Calcule la potencia alterna aplicada a un parlante de 8 ohm para el circuito de la figura. La polarización del circuito ocasiona una corriente de base DC de 6 mA y la señal de entrada (Vi) da como resultado una excursión peak de la corriente de 4 mAb. Calcule la potencia entregada por la fuente (PCC)c. La potencia disipada por el transistor (PC)d. La eficiencia del circuito ()
RL
N = 3
R1
R2 RE CE
VCC = 10v
14
12
10
8
4
2
6 = IB
IC (mA)
VCE (v)
67
14
12
10
8
4
2
R. de C. DC
6 = IB
255
25
18,31,7
279
140
20
IC (mA)
VCE (v)
10
68
Para DC se considera RE pequeño, por lo tantoVCC = ICQ RE + VCEQ VCC = VCEQa. Cuando IB = 6mA el punto Q es VCEQ = 10v; ICQ = 140 mA.La resistencia observada en el primario es R’L = N2 RL = 32 8 = 72 ohm
la pendiente = 1/72IC = VCE / R’L = 10 / 72 = 139 mA (este valor debiera ser aproximadamente el doble del IC en el punto Q, es decir, 280 mA)
ICQ + IC 140 mA + 139 mA = 279 mA
Del gráfico se saca VCE min = 1,7 v VCE max = 18,3 v IC min = 25 mA IC max = 255 mA
VCE rms = (VCE max VCE min) / 2 IC rms = (IC max IC min) / 2 Reemplazando valores
PL rms = PCE rms IC rms = 0,477 watt
69
b. PCC = VCC ICQ = 10v 140 mA = 1, 4 watt
c. PC = PCC PL = 1,4 0,477 = 0,92 watt
d. = PL ac / PCC * 100 = 34,1 % < 50 % ideal, debido a que la incursión peak máxima, es menor a VCC
70
2. Para un amplificador clase B que proporciona unaseñal peak de 20 (v) a una carga de 16 ohm y unafuente de alimentación VCC = 30 v, determine lapotencia de la fuente (PCC), la potencia en la carga(PL) y la eficiencia del circuito ().
71
SOLUCIÓN:
Una señal peak de 20 v a través de una carga de 16 ohm ofrece una corriente de carga peak
ILpeak = VL peak / RL = 20/16 =1,25 A.
El valor del consumo de corriente continua de la fuente de alimentación será
IDC = 2/ IL peak = 2/ 1,25 = 0,796 A
PCC = VCC * IDC = 30*0,796 =23,9 watty PL (ac) = V2
L peak / 2RL = 202 / 2 * 16 = 12,5 watt
= PL (ac) / PCC (dc) *100 = 12,5 / 23,9 * 100 = 52,3% < 78,5% ideal, dado que la incursión ideal máxima es VCC = 30 v, pero solo se está incursionando con 20v, por lo tanto el rendimiento cae de 78,5% (ideal) a 52,3% (real)
TAREA:Demostrar que si la señal de entrada es de 30 v peak:•PCC máx = 35,81 watt•PLmáx = 28,125 watt• max = 78,5 %•PCmax = 5,7 watt
72
3. SOLUCIÓN PARA EVITAR LA DISTORSIÓN DE CRUCE EN LOS AMPLIFICADORES CLASE B
T1
T2
VCC
RL
R1
VCC
R2
73
4. Para el circuito de la figura, calcule la potencia manejada por cada transistor de salida y la eficiencia del circuito para una entrada (Vi) de 12 Vrms
T1
T2
R1
R2
D
R3
Vi
C1
C2
VCC = 25v
VCC = 25v
RL = 4 ohm
74
SOLUCIÓN:
Vi peak = 𝑉𝑖 ∗ 2= 16,97 v peak 17 vDado que esta configuración es de colector común, eso implica que la ganancia Av = 1, estosignifica que el valor Vi se replica en cada transistor cuando estos conduzcan. VL peak = 17 v PL ac = (VLpeak)
2 / 2 RL = 172 / 2 *4 = 36, 125 wattPL ac = 36, 125 watt La corriente peak de carga es IL peak = VL peak / RL = 17 / 4 =4,25 A y la corriente DC entregada por la fuente es Idc = 2 / * IL peak = 2 / *4,25 = 2,71 AI dc = 2,71 A PCC = VCC * I dc = 25 * 2,71 = 67,75 watt2*PC = PCC PLac = 67,75 36,125 = 31,625 watt cada transistor PC = 31,625 / 2 = 15,81 watt = PL / PCC *100 = 36,125 / 67,75 *100 = 53,3%
TAREA:Para el circuito anterior demostrar que la potencia máxima que entrega la fuente, PL max,Vi max y la potencia disipada por los transistores son:PCCmax = 99,47 wattPL max = 78,125 watt= 78,5%Para alcanzar esta máxima potencia VL peak = VCC = 25 v, 2PC = PCC PL = 21,3watt
75
5. Calcular la eficiencia () y la disipación de potencia de cada transistor en la etapa de
salida complementaria de la figura, si Vcc = 12 v y RL = 50 ohm, VCE sat = 0,2 v
VBE = 0,72 v
T1
T2
VCC
VCC
Vi R
RL = 50 ohm
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SOLUCIÓN:
El voltaje peak de la carga es VL peak = VCC VCE sat = 12 0,2 = 11,8 v
La corriente peak en la carga es: IL peak = VL peak / RL = 11,8 / 50 = 0,236 A
• La potencia de la fuente PCC = 2 / * IL peak * Vcc = 2*0,236 *12 / = 1,8 watt
• La potencia en la carga PL = IL peak * V peak / 2 = 0,236 * 11,8 / 2 = 1,39 watt
= PL / PCC *100 = 1,39 / 1,8 *100 = 77,2%
La potencia que disipa cada transistor es:• PC = (PCC PL) / 2 = (1,8 1,39) / 2 = 206 mw
6.
• DIBUJAR EL DIAGRAMA DE BLOQUE DE UN AMPLIFICADOR DE AUDIO POTENCIA EN CONFIGURACIÓN PUENTE (2 AMPLIFICADORES)
• DEMOSTRAR QUE LA POTENCIA EN LA CARGA ES 4 VECES LA POTENCIA DESARROLLADA POR UN AMPLIFICADOR
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Vinculaciones de apoyo
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“Teoría de circuitos”R. L. Boylestad
“Dispositivos ElectrónicosThomas Floyd
“Principios de electrónica”Malvino
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