1 Introducción 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. AMPLIFICADORES DE
POTENCIA
2 Según el funcionamiento de los transistores de salida
Lineales: los transistores trabajan en zona lineal. De
conmutación: los transistores de salida trabajan en
conmutación (Off – On). Según el punto Q:
CLASE A CLASE B CLASE AB CLASE C CLASE D
3
4 Tipos de distorsión Definición:
Deformación que sufre la señal de salida con
respecto a la señal de entrada. Distorsión de Fase:
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: 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.
5 Distorsión de amplitud: 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:
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: 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.).
6 Distorsión armónica:
7 Distorsión intermodulación:
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9 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.
10 Amplificadores de Potencia Clase A
11 Clase A con acoplo directo a la carga 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
12 Para obtener 4 w en la carga, debemos diseñar una
fuente de 16 w y elegir un transistor de 8 w.
13 wt = 0 ? iC = Icmáx wt = ?/2 ? iC = ICQ wt = ? ? iC =
ICmín B0 = -0,025mA B1 = -0,62mA B2 = -0,025mA
Cálculo distorsión armónica
14 Introducción 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. Amplificadores de Potencia en Contrafase
Típica configuración contrafase (en desuso)
15 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.
16 Amplificador Clase A en contrafase Rendimiento máximo
clase A acoplo transformador 50%
17 Amplificador Clase B en contrafase Características y
funcionamiento: El amplificador trabaja con polarización
al corte. En ausencia de señal de entrada la
pérdida de potencia despreciable. Se obtienen potencias
superiores a las conseguidas con la clase A, y los rendimientos
pueden llegar al 78.5%. La principal desventaja es que tiene
mayor distorsión que la clase A. Configuración
clásica utilizada eliminando los transformadores de
entrada y salida
18 Caracteristica de transferencia
19 supuesta Vmáx = Vcc la potencia disipada en el colector
es cero en reposo y aumenta con la excitación
20 La potencia disipada en los transistores es: Supuesta
Vmáx = Vcc la expresión se transforma en: Potencia
que disiparán los dos transistores cuando la potencia en
la carga sea máxima. El valor de Vmáx que hace que
la potencia disipada en los transistores sea máxima es:
Resumiendo: la potencia disipada = 0 sin señal
(Vmáx = 0); llega al máximo cuando Vmáx =
0.636 Vcc.
21 Relación de Potencias Para entregar 10W con un
amplificador en contrafase clase B, la potencia máxima
disipable PDmáx = 4W: los transistores deberán
disipar cada uno 2W aproximadamente.
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24 Si suprimimos una de las fuentes de alimentación y
añadimos un condensador de gran capacidad, la
excursión máxima de salida se reduce a Vcc/2: 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:
25 Sea el amplificador clase B en contrafase de la figura. Cuando
se excita con una señal Ve = 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:
UC = 15V; RL = 4?. Nota: Considerar comportamiento ideal del
sistema.
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27 Distorsión: 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? ?
0.5… 0.7V para el Si).
28 Reducción de la distorsión mediante
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?
29 Reducción de la distorsión mediante
realimentación: Señal de entrada y salida
Función tranferencia sin realimentación
Función tranferencia con realimentación
30 Amplificador Clase AB en contrafase Características y
funcionamiento: 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.
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.
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32 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. 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.
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34 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.
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36 Un método alternativo, menos riguroso que el anterior
es el siguiente: CS será de gran capacidad, de forma que
su reactancia es despreciable a las frecuencias de trabajo en las
que nosotros lo vamos a usar. La potencia de salida viene dada
por: La máxima potencia disipada por los transistores
(PDmáx): 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 R1 y de colector son equivalentes: IR1 ? IC. VCEQ =
VCC / 2
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38 Servoamplificadores Introducción: Es la etapa de
potencia encargada de actuar sobre un servomotor efectuando
control de velocidad o posición. Básicamente hay
dos tipos: lineales (los transistores bipolares trabajan en la
zona lineal) y PWM (los transistores bipolares o Mosfet trabaja
en conmutación).
39 Servoamplificador controlado por corriente: vs = im ? Rs.
Finalmente, la corriente que circula por el motor, en
función de la tensión de entrada es: m = par
instantáneo im = corriente por el motor KT = constante del
par del motor
ESTA PRESENTACIÓN CONTIENE MAS DIAPOSITIVAS DISPONIBLES EN
LA VERSIÓN DE DESCARGA