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E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 1 Lección 4.- Consideraciones generales Lección.

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1 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 1 Lección 4.- Consideraciones generales Lección Amplificadores clase A Lección Amplificadores de potencia en contrafase Savant, C.J at al; Diseño Electrónico.Addison Wesley iberoamericana Gray, P.R; Meyer, R.G; Análisis y diseño de circuitos integrados analógicos. Prentice Hall J.D Aguilar/ D.Valero. Amplificadores de Potencia. Paraninfo Rashid; Circuitos Microelectrónicos. Análisis y diseño. Thomson Electrónica de Potencia UNIDAD Nº 0. INTRODUCCIÓN A LA ASIGNATURA UNIDAD Nº 1. REPASO DE CONCEPTOS Y DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA UNIDAD Nº 2. AMPLIFICADORES DE POTENCIA UNIDAD Nº 3. DISPOSITIVOS DE CUATRO CAPAS UNIDAD Nº 4. CONVERTIDORES

2 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 2 Introducción Introducción Definición:objetivo entregar lamáxima potencia a la carga, con la mínima distorsión y con rendimiento máximo Definición: etapa de salida de un amplificador, cuyo objetivo es entregar la máxima potencia a la carga, con la mínima distorsión y con rendimiento máximo, sin sobrepasar ni en las condiciones más desfavorables de funcionamiento, los límites máximos permitidos de disipación de potencia de los elementos empleados. Clasificación de los amplificadores Según la frecuencia de la señal a amplificar: de C.C.: entre 0 y algunos hercios. de Audiofrecuencia: 20Hz - 20KHz. de Radiofrecuencia: 20KHz - ?00 MHz. de Videofrecuencia: (de banda ancha), entre 30Hz y 15MHz. TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA

3 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 3 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA Según el funcionamiento de los transistores de salida Lineales: Lineales: los transistores trabajan en zona lineal. De conmutación: De conmutación: los transistores de salida trabajan en conmutación (Off – On). Según el punto Q: CLASE A CLASE A CLASE B CLASE B CLASE AB CLASE AB CLASE C CLASE C CLASE D CLASE D

4 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 4 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA

5 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 5 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA Tipos de distorsión Definición: Definición: Deformación que sufre la señal de salida con respecto a la señal de entrada. Distorsión de Fase: desplazamientos de fase provocadaselementos capacitivos e inductivos Las componentes de una señal sufren distintos desplazamientos de fase a medida que van atravesando las etapas del amplificador, provocadas por los elementos capacitivos e inductivos que forman parte del sistema. Distorsión de Frecuencia: respuesta en frecuencia no plana deformaciones provocadaselementos capacitivos e inductivos La ganancia de los amplificadores no es la misma para todas las frecuencias (respuesta en frecuencia no plana), por lo que la señal de salida presentará deformaciones con respecto a la de entrada. Son provocadas por los elementos capacitivos e inductivos. En general, éstas distorsiones aparecen conjuntamente en distors. fase y frecuencia.

6 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 6 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA Distorsión de amplitud: alinealidad de los componentes amplificaciones o recortes Aparecen por la alinealidad de los componentes de los amplificadores. La ganancia de los amplificadores no es la misma para todas las amplitudes de la forma de onda de la señal de entrada, por lo que pueden aparecer amplificaciones o recortes desproporcionados en la señal de salida. La distorsión de amplitud en función de la señal de entrada: armónica: añade armónica: Para una señal de entrada senoidal pura, el amplificador añade frecuencias armónicas de la frecuencia de la señal de entrada, que se unen a ésta, alterando su forma. intermodulación: aparecenotras frecuencias intermodulación: Cuando a la entrada de un amplificador aplicamos simultáneamente dos señales de distinta frecuencia a la salida aparecen además de éstas, otras frecuencias no relacionadas armónicamente con ellas. Para dos señales de entrada (f1, f2), se obtienen a la salida señales: (f1, f2, 2f1, 2f2,... nf1,...nf2, f1+f2,... n(f1+f2), f1-f2, etc.).

7 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 7 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA Distorsión armónica:

8 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 8 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA Distorsión intermodulación:

9 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 9 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA

10 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 10 TEMA 4:AMPLIFICADORES DE POTENCIA Cálculo de la distorsión armónica Teorema de Fourier:cualquier señal periódica puede descomponerse en señales sinusoidales cuyas amplitudes sumadas algebráicamente dan como resultado la forma de onda de la señal periódica, con la particularidad de que la frecuencia de estas ondas sigue un orden armónico. Teorema de Fourier: cualquier señal periódica puede descomponerse en señales sinusoidales cuyas amplitudes sumadas algebráicamente dan como resultado la forma de onda de la señal periódica, con la particularidad de que la frecuencia de estas ondas sigue un orden armónico.

11 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 11

12 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 12 TEMA 4.1:AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE A Clase A con acoplo directo a la carga Recta de carga estática = dinámica excursión máxima Recta de carga estática = dinámica. Situaremos Q en el centro de éstas rectas para que la excursión de la corriente de salida sea máxima. Sin señal de entrada la disipación de potencia en transistor es máxima

13 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 13 Para obtener 4 w en la carga, debemos diseñar una fuente de 16 w y elegir un transistor de 8 w. TEMA 4.1:AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE A

14 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 14 wt = 0 i C = I cmáx wt = /2 i C = I CQ wt = i C = I Cmín B 0 = -0,025mA B 1 = -0,62mA B 2 = -0,025mA Cálculo distorsión armónica TEMA 4.1:AMPLIFICADORES DE POTENCIA CLASE A

15 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 15 Introducción se emplea potencia necesariasuperior un único transistor La configuración en contrafase o push-pull, se emplea en los casos en los que la potencia necesaria en la carga es superior a la que puede entregar un único transistor. Típica configuración contrafase (en desuso)

16 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 16 Características: Empleo de dos transistores excitados con señales iguales, desfasadas 180º. El primario del trafo de salida está recorrido por corrientes iguales y de sentido contrario en ausencia de señal alterna, el flujo resultante a través del trafo = 0. La fuente de alimentación no necesita filtrado riguroso. Se eliminan los armónicos pares, reduciéndose la distorsión. La potencia de salida es mayor que en el caso con un único transistor. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

17 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 17 Amplificador Clase A en contrafase Rendimiento máximo clase A acoplo transformador 50%

18 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 18 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE Amplificador Clase B en contrafase Características y funcionamiento: polarización al corte El amplificador trabaja con polarización al corte. En ausencia de señal de entrada la pérdida de potencia despreciable. potencias superiores rendimientos78.5%. Se obtienen potencias superiores a las conseguidas con la clase A, y los rendimientos pueden llegar al 78.5%. mayor distorsión La principal desventaja es que tiene mayor distorsión que la clase A. Configuración clásica utilizada eliminando los transformadores de entrada y salida

19 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 19 Caracteristica de transferencia TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

20 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 20 supuesta V máx = V cc potencia disipada la potencia disipada en el colector es cero en reposo y aumenta con la excitación TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

21 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 21 La potencia disipada en los transistores es: Supuesta V máx = V cc la expresión se transforma en: Potencia que disiparán los dos transistores cuando la potencia en la carga sea máxima. El valor de V máx que hace que la potencia disipada en los transistores sea máxima es: Resumiendo: Resumiendo: la potencia disipada = 0 sin señal (V máx = 0); llega al máximo cuando V máx = V cc. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

22 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 22 Relación de Potencias Para entregar 10W con un amplificador en contrafase clase B, la potencia máxima disipable P Dmáx = 4W: los transistores deberán disipar cada uno 2W aproximadamente. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

23 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 23 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

24 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 24 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

25 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 25 V cc /2 Si suprimimos una de las fuentes de alimentación y añadimos un condensador de gran capacidad, la excursión máxima de salida se reduce a V cc /2: El punto de media potencia3 dB El punto de media potencia, o de 3 dB, especifica la frecuencia más baja de corte. Esta es la frecuencia que provoca una caída de 3 dB en la amplitud de salida. El punto está especificado por la expresión: TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

26 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 26 Sea el amplificador clase B en contrafase de la figura. Cuando se excita con una señal V e = A senwt, se pide: a.-) Potencia máxima de la señal de salida. b.-) Disipación de potencia en cada transistor y rendimiento de la conversión de potencia para la condición expresada en el apartado anterior. c.-) Máxima disipación de potencia en los transistores y rendimiento de la conver-sión de potencia para estas condiciones. d.-) Sustituir la fuente doble simétrica por una sola fuente de alimentación. ¿Qué valor debe tener ésta para obtener la misma potencia en la carga?. Datos: U C = 15V; R L = 4. Nota: Considerar comportamiento ideal del sistema. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

27 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 27 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

28 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 28 Distorsión: debida alinealidad de las características de entrada de los transistores crossover La principal fuente de distorsión es la debida a la alinealidad de las características de entrada de los transistores. Se conoce como distorsión de cruce (crossover). Si aplicamos una entrada senoidal a la entrada de un amplificador en contrafase clase B, no habrá salida hasta que la entrada supere la tensión de umbral (V V para el Si). TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

29 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 29 Reducción de la distorsión mediante realimentación: lazo de realimentación Para ello, se introduce un lazo de realimentación y un preamplificador con una gran ganancia en lazo abierto (A.O.). ¿Sabrías deducir y comentar porqué esta configuración reduce la distorsión? TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

30 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 30 Reducción de la distorsión mediante realimentación: Señal de entrada y salida Función tranferencia sin realimentación Función tranferencia con realimentación TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

31 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 31 Amplificador Clase AB en contrafase Características y funcionamiento: distorsión de crucese elimina La distorsión de cruce que se produce en clase B contrafase, se elimina si previamente polarizamos ligeramente los transistores la señal de entrada oscilará en torno a un nivel de polarización 0. funcionamiento entre las clases A y B Este modo de funcionamiento se caracteriza porque la corriente de salida circulará > ½ ciclo y < de un ciclo completo. Se encuentra entre las clases A y B. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

32 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 32 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

33 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 33 Con señal de entrada senoidal, durante el 1er semiciclo conduce T1. Cs se carga a Vcc/2. Durante el semiciclo negativo de la tensión, el Cs se descarga, alimentando al transistor T2. inconveniente consumo de potencia en ausencia de señal reducción del rendimiento El inconveniente a la hora de evitar la distorsión de cruce es un pequeño consumo de potencia en ausencia de señal reducción del rendimiento. Diseño: Se incorpora Cs para no emplear dos fuentes de alimentación. Los diodos proporcionan la polarización a las bases de los transistores, además de establilidad térmica frente a variaciones de temperatura. Estos diodos deben tener características similares a las del transistor y se deben montar en el mismo disipador. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

34 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 34 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

35 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 35 El diseño del amplificador requiere conocer la resistencia del diodo en directo (< 100 habitualmente). El diseño del amplificador requiere conocer la resistencia del diodo en directo (< 100 habitualmente). También es importante que la corriente de polarización del diodo sea bastante grande para mantener los diodos en la zona lineal de su región de polarización directa para todas las tensiones de entrada. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

36 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 36 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

37 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 37 método alternativo Un método alternativo, menos riguroso que el anterior es el siguiente: C S será de gran capacidad, de forma que su reactancia es despreciable a las frecuencias de trabajo en las que nosotros lo vamos a usar. potencia de salida La potencia de salida viene dada por: máxima potencia disipada por los transistores (P Dmáx ) La máxima potencia disipada por los transistores (P Dmáx ): espejo de corriente I R1 I C Para la determinación del punto de trabajo nos basamos en el concepto de espejo de corriente, cuya conclusión es que las corrientes a través de la resistencia R 1 y de colector son equivalentes: I R1 I C. V CEQ = V CC / 2 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

38 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 38 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

39 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 39 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA. Servoamplificadores ServoamplificadoresIntroducción: Es la etapa de potencia encargada de actuar sobre un servomotor efectuando control de velocidad o posición. lineales PWM Básicamente hay dos tipos: lineales (los transistores bipolares trabajan en la zona lineal) y PWM (los transistores bipolares o Mosfet trabaja en conmutación).

40 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 40 Servoamplificador controlado por corriente: corriente que circula por el motor, en función de la tensión de entrada v s = i m R s. Finalmente, la corriente que circula por el motor, en función de la tensión de entrada es: TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA. Servoamplificadores m m = par instantáneo i m i m = corriente por el motor K T K T = constante del par del motor

41 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 41 Amplificador PWM controlado por tensión: PWM En la figura podemos apreciar el principio en el que se basa el control por tensión de amplificadores PWM. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA. Servoamplificadores

42 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 42 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA. Servoamplificadores

43 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 43 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE Protecciones contra sobreinten-sidades. cortocircuitos accidentales Consiste en proteger a los transistores frente a posibles cortocircuitos accidentales Limitación por corriente constante: Limitación por corriente constante:Es empleado con niveles bajos de corriente.

44 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 44 Limitación de corriente regresiva (foldback): Se limita el valor de la corriente de cortocircuito a un valor inferior al de la máxima corriente permitida. TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE corriente máxima (I máx )?

45 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 45 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA. PROTECCIÓN CORTOCIRCUITOS

46 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 46 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

47 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 47 Gray, P.R; Meyer, R.G; Análisis y diseño de circuitos integrados analógicos. Prentice Hall TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

48 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 48 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

49 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 49 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

50 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 50 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

51 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 51 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

52 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 52 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

53 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 53 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

54 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 54 propuesto TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

55 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 55 propuesto TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE

56 E.P.S Ingeniería Técnica Industrial: Esp.Electrónica Electrónica de Potencia:Amplificadores de Potencia 56 TEMA 4.2: AMPLIFICADORES DE POTENCIA EN CONTRAFASE


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