Distintas clases y tipos de configuraciones Etapas de Potencia Distintas clases y tipos de configuraciones

Clases de amplificadores Se los clasifica según el ángulo de conducción del dispositivo activo. Clase A: Se refiere a las etapas ampificadoras habituales, donde el transistor está con una polarización permanente, lo cual nos da la idea que se tendrá un rendimiento bajo. El ángulo de conducción es 360º, por lo tanto la gráfica de la corriente de colector tendrá el siguiente aspecto:

Clase B: El dispositivo activo conduce medio ciclo, de manera que será necesario disponer de dos dispositivos, uno para reproducir cada semiciclo.

Clase AB: como el hecho de no tener una polarización permanente, hace que no puedan conducir los dispositivos, para valores bajos de tensión de entrada (en un TBJ, valores menores que 0,6V), lo cual introduce distorsión, se prepolarizan, para tener un ángulo mayor que 180º, pero mucho menor de 360º

Clase C: Cuando la distorsión no es importante y lo necesario es la potencia y el rendimiento, se permite que el dispositivo activo, conduzca menos que 180º, luego la señal se pasa por un filtro, ya que tendrá muchos armónicos. Son amplificadores típicos de RF.

Luego están los amplificadores de conmutación, donde la onda de salida es cuadrada y habrá también que usar filtros para eliminar los armónicos. Se los conoce como clases D, E, F y los más conocidos son los de clase E.

Interesa ver la relación de las señales con la recta de carga para cada tipo de amplificador.

Amplificador clase A La etapa característica es la configuración seguidora, con la polarización mediante una fuente de corriente.

Curva de transferencia: Permite establecer la relación entre la entrada y la salida del amplificador. La zona de trabajo deberá ser lineal para evitar distorsión armónica. Sin embargo habrá límites en la excursión que tendrán que ver con la saturación y el corte del dispositivo activo.

Relaciones básicas para obtener la característica de transferencia: Vi - Vbe – Vo=0 De la anterior surge: Vo = Vi – Vbe, entonces por lo tanto cuando Vi = 0 deberá cumplirse que Vo = - Vbe y también si Vo = 0, Vi = Vbe El recorte por saturación se puede producir cuando el la tensión de entrada llega al valor Vcc – Vce(sat). También puede producirse en el semiciclo negativo, cuando se sature el transistor de la fuente de corriente.

Recorte por corte: Se puede producir en el semiciclo negativo, cuando la corriente en la carga llega al valor del la de la fuente, de manera que el TBJ queda en MC. Regímenes de potencia: Deberá cumplirse que Ps = Pd + PL, donde Ps es la potencia entregada por las fuentes, Pd es la potencia disipada en los dispositivos de salida y PL es la potencia útil desarrollada en la resistencia de carga. Potencia entregada por la fuente: Ps = 2 Vcc Icq

La potencia en la carga: PL = Vo(rms) Io(rms) = (Vomáx Iomáx )/2 La potencia disipada por el dispositivo, podemos obtenerla como Pd =Ps – PL. Observamos que la potencia disipada es máxima cuando no tenemos efecto útil, lo cual nos está dando una idea del pobre rendimiento de esta etapa. Rendimiento: η= PL/Ps, de manera que 0<η<1 Rendimiento máximo: η= (Vomáx Iomáx)/2(2Vcc Icq)

La máxima otencia en la carga la tendremos para máxima área debajo de la recta de carga

1717 Potencia instantánea disipada en el dispositivo. Se observa que para la recta óptima, la hipérbola de máxima disiación queda por encima de los posibles puntos de trabajo.

La mayor potencia en la carga se obtiene para el área sombreada C, que implica la condición de máxima excursión simétrica, es decir Vo máx = Vcc = Icq RL. Reemplazando con las expresiones anteriores η= (Vomáx Iomáx)/2(2Vcc Icq). Si Vomáx = Vcc e Iomáx =Icq, entonces tenemos el rendimiento máximo η= 25% que es muy bajo, por lo tanto estas etapas difícilmente se utilicen para potencias mayores que 1W.

Etapa clase A en emisor común: Si bien es una etapa que gana tensión y corriente, debido a su curva de transferencia alineal, presenta gran distorsión armónica, por lo que no se la utiliza generalmente.

Curva de transferencia: Es de tipo exponencial

Esta cuestión, ´combinada con el hecho de trabajar con potencias elevadas, hace que la distorsión armónica sea elevada.

Etapa clase B complementaria

Curva de transferencia: Recorriendo la malla de entrada para el semiciclo positivo: Vi - Vbe = Vo por lo tanto si Vo = 0, Vi = Vbe Para el semiciclo negativo: Vi + Vbe = Vo por lo que para Vo = 0, Vi = -Vbe En el tramo comprendido entre –Vbe y Vbe, la salida será nula, por lo que se producirá una distorsión por cruce.

Rendimiento de la etapa de salida clase B Interesa conocer la eficiencia del amplificador y la peor condición de operación de los transistores

Si consideramos que la tensión pico de salida puede alcanzar el valor Vcc, sin llegar a saturarse, tendremos el rendimiento máximo Puede observarse que es mucho mayor que el rendimiento máximo en clase A. Potencia máxima disipada por la etapa de salida.

La potencia disipada en un transistor será la diferencia entre la potencia entregada por la fuente y la potencia en la carga.

Aplicando la condición de extremo relativo, es decir que se anule la derivada primera de la función, queda: De donde surge que la tensión de salida que ocasiona la máxima potencia disipada en un dispositivo es:

El rendimiento será para este caso La potencia máxima disipada es:

La potencia disipada en cada colector, normalizada respecto de la máxima es: Si la graficamos resulta:

Análisis térmico Como los técnicos electrónicos conocemos de circuitos, entonces estableceremos una analogía termo eléctrica. Usando la ley de transmisión del calor de Fourier y considerando que la transferencia se produce por tres fenómenos a considerar: Conducción Convección Radiación

En el caso de los semiconductores se produce un efecto combinado, lo cual es tenido en cuenta en los coeficientes que los fabricantes obtienen experimentalmente. Asumimos que la transferencia del calor se realiza desde la juntura (donde se genera) hasta el ambiente, pasando por la carcasa y, eventualmente por el disipador. Tomamos como la intensidad de corriente a la potencia disipada (PD) La caída de tensión es análoga a la diferencia de temperaturas.

La resistencia eléctrica es análoga a la resistencia térmica, que tiene en cuenta los procesos de transmisión del calor mencionados anteriormente (Θ) Entre y juntura ambiente, aparecen las siguientes resistencias térmicas Rtjc resistencia térmica juntura cápsula Rtcd  resistencia térmica cápsula disipador Rtda  resistencia térmica disipador ambiente Rtja = Rtjc + Rtcd + Rtda

Circuito térmico

La expresión de aplicar la ley de Ohm a este circuito es:

Rtcd es la resistencia térmica carcasa disipador

Si considerando la temperatura ambiente adecuada y la potencia disipada máxima, se supera el valor de la temperatura de juntura máxima, será necesario bajar la resistencia térmica carcasa ambiente, para lo cual se le pondrá en paralelo la resistencia térmica disipador ambiente, mediante el agregado de un disipador. El circuito térmico queda:

Si admitimos que (Rtcd+Rtda)<<Rtca, podemos definir un circuito simplificado:

Especificaciones térmicas de los dispositivos. Puede obtenerse datos sobre disipadores en: http://www.disipadores.com

Curva de power derating.

Área de Operación Segura

Etapa clase AB Hay que agregar algún circuito que prepolarice a los transistores. Como los diodos en directa tienen una tensión semejante a la de las junturas base emisor de los TBJs, entonces se pueden usar para llevar los dispositivos a una polarización ligeramente superior al corte.

Fuente de corriente Diodos de prepolarización

Recorriendo la malla de entrada que incluye al generador y a la carga: Vi – Vbe – Vo = 0 Cuando Vo = 0, resulta Vi = - Vbe Si Vi = 0, entonces Vo = Vbe La característica de transferencia es:

Vbe Vbe Vbe

La disposición de la recta de carga ara uno de los dispositivos de la etapa es Se observa que el punto de trabajo está en modo de corte.

Si bien la prepolarización con diodos es la más económica, hay otras más eficientes como la siguiente. Multiplicador de Vbe

A través del divisor de tensión se puede observar: Poniendo como divisor un potenciómetro, se puede regular la tensión Vce, que será la que prepolarizará a los transistores, de manera que usando un osciloscopio, ajustaremos hasta que se observe que la distorsión por cruce desaparece.

Circuitos de protección Si por ejemplo, se pusiera en cortocircuito la salida por un defecto en el parlante o por una mala conexión, podrìa superarse la máxima corriente que el TBJ puede soportar. Por lo tanto se suele agregar un circuito muy sencillo, constituido por el transistor Q2 del circuito siguiente

La resistencia de emisor debe tener un valor que cuando se establezca por ella la corriente máxima TBJ puede soportar, entonces produzca una caída de tensión de 0,6 V, de manera que Q2 conduzca, de manera que su colector tomará corriente de la base de Q1, con lo cual hará que disminuya la corriente de colector de emisor de este último, protegiendo de este modo al transistor.

Etapa cuasicomplementaria Como los transistores NPN, a igualdad de condiciones tienen más capacidad para entregar corriente, en virtud que la movilidad de los electrones es mayor que la de los huecos, se puede construir un transistor PNP con un PNP y otro NPN, con la configuración Darlington. El transisitor Darlington tiene una gran amplificación de corriente, las β se multiplican, cosa muy útil, pues los TBJs de potencia suelen tener un β muy bajo.

Ejemplo de diseño de una etapa de potencia Especificaciones: Potencia de salida: 20 W Impedancia de carga del parlante: 8 Ω

Determinación de la tensión de alimentación: Como la característica de transferencia se curva cerca de la zona de saturación, se tomará una tensión alrededor de 5 V superior a la tensión máxima por saturación: Corriente de pico tomada de cada fuente

Potencia de alimentación: Rendimiento: Máxima potencia que deberá disipar el TBJ:

Elección del transistor: Deberíamos buscar en manuales o Internet, un transistor que cumpla al menos con estas especificaciones, es decir que los máximos ratings, sean al menos los especificados anteriormente. Con este criterio, podrìamos usar, entre otros el para complemetario:

Análisis térmico: Todavía no disponemos del valor de la resistencia térmica del dispositivo, pero de la hoja de datos, surge que para 25ºC, puede disipar 30W y como usamos antes, la temperatura de juntura máxima de 150ºC. Con estos datos:

La resistencia térmica entre juntura y ambiente es: Vemos que es mayor la resistencia térmica que la que podemos aceptar, para la potencia que deberá disipar el TBJ, por lo tanto es necesario usar un disipador. Resistencia térmica carcasa-ambiente // disipador ambiente:

Desparalelizamos para obtener la resistencia térmica disipador – ambiente: Tenemos que elegir de las hojas de datos de disipadores, alguno con una resistencia térmica menor o igual. Utilizando los datos proporcionados en www.disipadores.com, podemos encontrar

Artículo: 2125D1 Perfil U:12x28x12 1 Artículo: 2125D1 Perfil U:12x28x12 1.5mm espesor Altura: 40mm Resistencia Térmica: 13º c/w

Amplificadores de Radio frecuencia Si la configuración es conTBJ, la idea es usar sólo transistores NPN, en virtud que su comportamiento es mucho mejor con la frecuencia. Por lo tanto se usa la etapa llamada push-pull, donde se produce la inversión de fase de la excitación mediante un transformador con punto medio.

Etapa push-pull

Amplificadores sintonizados Clase C

Obsérvese que pequeño tiempo el transistor conduce Obsérvese que pequeño tiempo el transistor conduce. La señal permanece senoidal, debido al filtro resonante pasabanda. 0,6 V

El TBJ entrará en conducción cuando la tensión del generador, supere en 0,6 V a la tensión de la fuente de continua de base, por lo tanto el ángulo de conducción será pequeño θ<<π

Asumiendo que en la zona activa, la corriente de colector es proporcional a la tensión de entrada y admitiendo una corriente continua de polarización Id, podemos expresar la corriente de colector Como se trata de una función par, se puede desarrollar en una serie de Fourier en cosenos.

Operando, realizando las integrales adecuadas:

La potencia entregada a la carga es

El rendimiento en función del ángulo de conducción, llamado “y” en la gráfica, es: Una solución de compromiso entre pico de corriente y rendimiento es un ángulo de conducción de 60º, con

Ejemplo de diseño de un amplificador clase C Especificaciones:

Deberemos conocer la resistencia de carga de colector del transistor, donde se disipará la potencia deseada, que aumiendo que no hay pérdidas, entonces será la misma que la de la carga real. Luego, necesitaremos realizar una red de adaptación de impedancias como las que analizamos en el primer trimestre.

Para que cumpla con le rendimiento deseado, necesitamos obtener el valor del ángulo de conducción, lo cual lo hacemos a través de la curva vista y de las expresiones anteriores, tal vez con un proceso iterativo. Para este caso el resultado está alrededor de De las expresiones anteriores, obtenemos los valores de la tensión y corriente máximas de salida, como así la corriente de polarización , que nos permitirá conocer las condiciones de polarización de base. Para este caso

Amplificadores de conmutación Se utilizan ondas cuadradas para la excitación, que provienen de un oscilador senoidal y luego son recortadas. En conmutación un dispositivo disipa muy poca potencia, por ello pueden obtenerse muy altos rendimientos. La onda cuadrada resultante, tiene armónicos, que se eliminan con un filtro pasabanda, dejando la portadora senoidal con un adecuado ancho de banda para que pueda pasar la información. Muy usados en FM.

Amplificador clase D con MOSFET El transformador con punto medio, provee las fases adecuadas a las compuertas de cada MOSFET (enriquecimiento), de manera que cuando uno de ellos esté en conducción, el otro esté en corte. Conducirán en semicilos opuestos y de este modo reconstruirán la señal en la salida.

Amplificador clase E Las características son semejantes a las del amplificador clase D, pero usando un solo dispositivo activo. También pueden usarse TBJ o MOSFET. A continuación vemos un amplificador clase E con TBJ.

Modelo equivalente

Se observan las formas de onda de entrada y salida.

Hoja de datos de un TBJ de RF SD1274-01 RF power TBJ