CIRCUITOS ELECTRONICOS III

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RESUMEN Área Operación Segura Multiplicador Del VBE AMPLIFICADOR CLASE AB Protecciones Amplificador de Potencia IC

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RESUMEN Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC CIRCUITOS ELECTRONICOS III - ING FABIO ANDRADE R

RESUMEN Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

ÁREA DE OPERACIÓN SEGURA SOA Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

ÁREA DE OPERACIÓN SEGURA SOA Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones Ic=6A PD=60W Amplificador de Potencia IC S.O.A VCE=100V Segunda ruptura Otra limitación importante en los transistores de potencia es el efecto de la segunda ruptura. Básicamente, la segunda ruptura resulta de la no uniformidad de la densidad de corriente en el transistor que origina focos de grandes temperaturas. CIRCUITOS ELECTRONICOS III - ING FABIO ANDRADE R

ÁREA DE OPERACIÓN SEGURA SOA Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

ÁREA DE OPERACIÓN SEGURA SOA Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones MOSFET de potencia Amplificador de Potencia IC Comparación entre las zonas de operación seguras del transistor y el MOSFET de potencia

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Un peligro latente en la etapa de simetría complementaria es el corrimiento del punto de operación (ICQ) a causa del incremento en la temperatura de la juntura CB. Protecciones Ic(mA) Recta de carga Q T=100ºC Q T=50ºC Q T=25ºC Amplificador de Potencia IC Vce(V) El BJT posee un coeficiente positivo de temperatura, que origina que ante un incremento de temperatura sólo es posible mantener la ICQ disminuyendo el VBE a una rata de -2.2mV/ºC. En otras palabras, si la temperatura se incrementa, la corriente ICQ también lo hará, lo que en el caso del amplificador de potencia puede ser fatal.

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Los transistores de efecto de campo (MOSFET’s) poseen una dependencia de temperatura, que hace que la ID tenga un coeficiente positivo de temperatura a bajos valores de ID y un coeficiente negativo de temperatura a altos valores de ID. Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC Sin embargo, en los amplificadores de potencia, las corrientes típicas de polarización son del orden de 150mA y menor. A estos valores de corriente, los BJT’s y los MOSFET’s presentan coeficientes positivos de temperatura; en el caso del MOSFET, para mantener una ID dada ante un crecimiento de la temperatura, se requiere que el VGS disminuya a una rata aproximada entre -2.5mV/ºC a -6mV/ºC.

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Por tanto, en aras de mantener estable el punto de trabajo en los transistores de potencia, se requiere un circuito de polarización que disminuya el voltaje de polarización ante un incremento de la temperatura. Multiplicador Del VBE Una solución muy elegante a este problema es el “Multiplicador de voltaje”. Protecciones Amplificador de Potencia IC Etapa amplificadora compuesta por Q1, R1, R2 y R3 Fuente de corriente compuesta por Q2, R4, R5, D1 y D2

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Análisis de la fuente de corriente IC2 Con VD1 y VD2 =0.7v I Protecciones Amplificador de Potencia IC Asumiendo IB2<<I entonces IC2≈IE2=12.5mA La corriente I es: Para que el circuito trabaje como fuente de corriente, se debe garantizar que el VCE≥0.7v para evitar que Q2 se sature pues en la saturación la IC2 disminuye. Con la compensación de temperatura introducida por D1 y D2 sobre la juntura BE2 se logro que la fuente de corriente trabaje apropiadamente en un amplio rengo de temperatura

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Análisis del Multiplicador de VBE Para que el circuito funcione apropiadamente se debe cumplir: + IC1 Protecciones I1 IB1 + Amplificador de Potencia IC De tal manera que el flujo de corriente total por el circuito sea aproximadamente IC1. ósea IC1≈IC2=cte. VBIAS VBE1 Del circuito: - -

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo: HFE1=150 Multiplicador Del VBE a.) R3=0 I1 IB1 IC1 Protecciones Amplificador de Potencia IC

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo: HFE1=150 Multiplicador Del VBE a.) R3=500 I1 IB1 IC1 Protecciones La variación de R3 permite ajustar VBIAS entre 1.95v y 2.95v, lo cual es razonable cuando se trata de polarizar cuatro junturas BE de la etapa de simetría complementaria Amplificador de Potencia IC

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Variación del VBIAS con la temperatura Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC Expresión que se puede aproximar por: Como: Para un BJT, se concluye que Dependerá del ajuste de R3

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Esto significa que cuando la temperatura aumenta, IC1 tiende a aumentar; sin embargo la fuente de corriente mantiene la IC1≈ cte, por lo que el VBE1 es forzado a disminuir con el aumento de la temperatura. Por consiguiente el VBIAS decrece, lo que mantiene la corriente de colector de los transistores de potencia ≈ constante. Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC OJO!!! La corriente de polarización de los transistores de potencia se debe ajustar con el menor VBIAS, ósea con el valor de R3 total. Enseguida se disminuye lentamente R3 hasta que se ajuste ICQ deseada, para reducir la distorsión de paso por cero

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura En lugar de R3 se colocan dos resistencias R2 y R3, en cuyo centro se conecta C1, un condensador de bootstrap Los diodos D1 y D4 han sido reemplazados por dos multiplicadores VBE Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC La resistencia R4 fue cambiada por una fuente de corriente constante La bucla de realimentación negativa compuesta de R14 y R15+C4. Este condensador bloquea la C.C. lo que hace que en polarización la realimentación negativa sea unitaria, lo que contribuye a mantener la estabilidad del punto de operación.

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Durante el funcionamiento en AC el multiplicador de VBE actúa como una fuente de DC constante, usualmente ajustado a 1.4V Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura I =12.5mA VA El capacitor de Bootstrap funciona de la siguiente forma: En polarización el voltaje VA≈VCC-IC3R2 VA = 15v-(12.5mA)(560) VA = 8V Como Vo(pol) = 0v. El capacitor se carga a 8V Cuando se aplica señal al circuito el condensador no sufrirá carga ni descarga apreciable. Por lo tanto C1 se comportará como una fuente de voltaje y VA será siempre 8v mas positivo que Vo. Recuérdese que una de las causas de limitación del voltaje de salida son las caídas de voltajes muy bajas a través de las resistencias de polarización, pues esto limita la corriente base de pico exigida por los transistores de salida. Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura I =12.5mA VA El capaitor de Bootstrap reduce este problema, pues mantiene una gran caída de voltaje sobre R3 (y por lo tanto la posibilidad de drenar corriente de base alta). Este arreglo es de cuidado, porque se trata de una realimentación positiva, por fortuna la etapa de salida presenta una ganancia de voltaje < 1, lo que evita que el circuito se torne inestable. Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

18vp -2vp 12.025vp -9.225vp 10vp MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC 10.625vp -10vp 10.625vp

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Variación del VBIAS con la temperatura Multiplicador Del VBE Si R3=0, VBIASMAX =2.95V: Protecciones Amplificador de Potencia IC Si R3=500, VBIASMAX =1.89V: A mayor VBIAS  Mayor coeficiente negativo de temperatura !!!

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo 1: Realice un análisis del multiplicador de VBE de la figura y determine la corriente a través de los diodos D1 y D2, la corriente de colector de Q3 y el rango de operación del multiplicador de VBE Multiplicador Del VBE La corriente a través de los diodos es: Protecciones Amplificador de Potencia IC La corriente de emisor de Q3 es: y IC3 ≈ IE3 ≈ 12.5mA. Como los dos multiplicadores de VBE son identicos, solo hacemos el analisis para uno: R6= máx. R6= min.

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo 2: Encuentre el voltaje de salida máximo sin distorsión debido a los transistores de potencia Q4 y Q5. Asuma un VC(SAT) = 1v. Multiplicador Del VBE Como VCE(SAT) = 1v el voltaje aplicado en el emisor de potencia es: Protecciones Amplificador de Potencia IC Y por un divisor de voltaje:

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo 3: Para el correcto funcionamiento de la fuente de corriente, debe de haber una caída mayor o igual a 1.4v en sus terminales. Determine el máximo voltaje permitido debido a esta restricción. Multiplicador Del VBE Protecciones El colector de Q3 debe estar a un potencial de por lo menos -13.6v para ser 1.4v mas positivo que –VCC. Asi el voltaje pico maximo en Q5 es: Amplificador de Potencia IC El voltaje de salida pico es:

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo 4: Determine la limitación de salida por la polarización de los diodos R2 y R3. realice el análisis sin capacitor de bootstrap (C3) y con capacitor. Multiplicador Del VBE VA: 8v mayor que Vout Protecciones Sin el capacitor de bootstrap no es usado: Amplificador de Potencia IC Con el capacitor de bootstrap el nodo A siempre estará 8v por encima que el Vout, así no tendrá ninguna limitante debido a la polarización por R3 y R2

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Multiplicador Del VBE Por ultimo la limitación debido a la máxima corriente entregada por el amplificador operacional no es un factor importante para determinar la máxima excursión de señal. Esto es debido a la baja corriente de base que exige la configuración par Darlington, además de la gran capacidad de entregar corriente gracias al capacitor de bootstrap. Protecciones Amplificador de Potencia IC

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura SEMICICLO POSITIVO Multiplicador Del VBE 18vp 11.5mA Protecciones Amplificador de Potencia IC 12.025vp 1.25mA 10.25mA 10vp 1.25A 2.25mA 12.5mA 0mA

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura SEMICICLO NEGATIVO Multiplicador Del VBE -2vp 13.9mA Protecciones Amplificador de Potencia IC -9.225vp 0mA 13.9mA -10vp 1.25A 2.65mA 11.25mA 1.25mA

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejemplo 5: Determine la eficiencia (aproximada) del amplificador de potencia: Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura I II Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC El amplificador de potencia I entrega 0.64W con una eficiencia de 42%. Aumentando las fuente de voltaje, disminuyendo la resistencia RE, usando un capacitor de bootstrap, adicionando multiplicadores VBE, hemos obtenido una potencia de 6.25W con una eficiencia del 52%

MULTIPLICADOR DEL VBE Área Operación Segura Ejercicio: Para el multiplicador de la figura asuma que R1 es 470 y R3 es un potenciometro que varia hasta 500. La resistencia R5 es reducida a 47. Todos los demas componenetes no son modificados. Determine el rango de voltaje de VBIAS. Exprese su respuesta en mV/ºC Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC

AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON MOSFET’S Área Operación Segura Q3 proporciona un multiplicador VBE para los MOSFET’S Q5 y Q6 R15 y C2 filtro pasa bajo Multiplicador Del VBE Protecciones R2 aterriza la base de Q1 en DC Amplificador de Potencia IC Etapa Driver en Conf. Amp Clase A R2, R1 y C1 filtro pasa bajo Amplificador diferencial con salida por Q1 (no-inversora) y realimentación por Q2 (inversora) R13, R14 y C3 Realimentación CIRCUITOS ELECTRONICOS III - ING FABIO ANDRADE R

AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON MOSFET’S Área Operación Segura Ejercicio: Si la resistencias R5a y R5b son ajustadas de tal forma que la corriente de DC a través de Q4 es de 4.81mA. El VBIAS del multiplicador de VBE esta ajustado para 8v. Si el voltaje en dc de la carga es de 0v, encuentre le voltaje de carga en el capacitor de bootstrap. Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC CIRCUITOS ELECTRONICOS III - ING FABIO ANDRADE R

AMPLIFICADOR DE POTENCIA CON MOSFET’S Área Operación Segura Ejemplo 6: El MOSFET IRF532 canal-n tiene un voltaje VGS(th) dentro del rango de 2 a 4v. El MOSFET IRF9532 tiene su voltaje VGS(th) en el rango de -2 a -4v. Es este multiplicador adecuado para operar estos rangos? Multiplicador Del VBE Protecciones Amplificador de Potencia IC Para R9=1K Para R9=0

PROTECCIONES DE SALIDA Área Operación Segura AMPLIFICADOR DE POTENCIA Carga 8 Amplificador Clase AB Protecciones PROBLEMAS: La carga que se conecta es de 4 ! La carga se daña y queda en cortocircuito!!! Carga 8 Amplificador de Potencia IC La caída de voltaje en las resistencias de emisor varían en forma lineal con la corriente de salida del amplificador

PROTECCIONES DE SALIDA Área Operación Segura 33mA Amplificador Clase AB 33mA hFE =30 0mA Protecciones + Amplificador de Potencia IC 0.47v 1Ap -

PROTECCIONES DE SALIDA Área Operación Segura 42.5mA Amplificador Clase AB 42.5mA hFE =30 Empieza a conducir Protecciones + Amplificador de Potencia IC 0.6v 1.28Ap -

PROTECCIONES DE SALIDA Área Operación Segura 50mA Amplificador Clase AB 42.5mA hFE =30 7.5mA Protecciones + Amplificador de Potencia IC 0.6v 1.28Ap - Pero 1.28A es una corriente muy baja si deseamos entregar una potencia de 20W. Necesitamos una corriente de salida de 2.24Ap

PROTECCIONES DE SALIDA Área Operación Segura Amplificador Clase AB Protecciones Amplificador de Potencia IC

AMPLIFICADORES DE POTENCIA IC Área Operación Segura Circuito equivalente del integrado LM1877 Amplificador Clase AB Protecciones Amplificador de potencia IC - Dos entradas. - Menores a 10W Entrada diferencial Configuración de salida de simetría cuasi-complementaria. Protecciones de temperatura (Multiplicador de voltaje)

AMPLIFICADORES DE POTENCIA IC Área Operación Segura Amplificador Clase AB Protecciones Amplificador de potencia IC

AMPLIFICADORES DE POTENCIA IC Área Operación Segura Amplificador Clase AB Aplicación: Protecciones Amplificador de potencia IC

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen Etapa de salida en fuente común Amplificadores Con MOSFET’s Manejo de etapa de potencia por la alimentación de los op amp Disipación de calor Etapa de potencia esta en configuración de fuente común Multiplicador de VBE

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen Op amp + + Amplificadores Con MOSFET’s 1.8mA 1.8v 1.8v - - Disipación de calor + + 1.8mA 1.8v 1.8v Configuración de salida del op amp es push - pull - -

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen Características eléctricas de los MOSFET’s de potencia Amplificadores Con MOSFET’s Parámetros IRF532 (canal N) IRF9532 (canal P) VDS(MAX) 100V -100V ID(MAX) 8.0A -6.5A PD(MAX) 75W D -0.60W/ºC VGS(th) 2.0 A 4.0V Disipación de calor El amplificador operacional LF411 tiene etapa de entrada con JFET. De esta forma la corriente de entrada de polarización es baja (50pA) y la velocidad de respuesta alta (FR = 10V/μS). El ancho de banda es del orden de 3 a 4Mhz. Su fuente de alimentación máximo de 22V y la corriente de operación nominal de 1.8mA.

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen + - Amplificadores Con MOSFET’s 1mA + - VBE4 IC3 I1=1.8mA Disipación de calor

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen Ejemplo 1: Determine el rango de polarización que permite el potenciómetro R6 Amplificadores Con MOSFET’s Si R6 es adjuntado al mínimo tenemos: Disipación de calor Si R6 es adjuntado al máximo tenemos:

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen Compensación por multiplicador VBE Amplificadores Con MOSFET’s Disipación de calor Tenemos que: Si derivamos con respecto a la temperatura, tenemos: Y para el Q4 la variación es de -2mV/ºC

AMPLIFICADORES CON MOSFET’s Resumen Ejemplo 2: Determinar el rango del coeficiente de variación del voltaje con respecto a la temperatura del circuito Amplificadores Con MOSFET’s Si R6 es adjuntado al mínimo tenemos: Disipación de calor Si R6 es adjuntado al máximo tenemos:

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