Amplificadores depotencia

1. Ampli…cadores de Potencia
J.I.Huircan
Universidad de La Frontera
January 30, 2012
Abstract
Los ampli…cadores de potencia son convertidores que transforman la
energía de la fuente en señal de potencia de salida. Estos pueden ser tipo
clase A, AB, B y C. Los cuales tienen distintos parámetros de e…ciencia
y uso.
1 Introducción
Un ampli…cador de potencia convierte la potencia de una fuente de corriente
continua (Polarización VCC de un circuito con transitores) a potencia de salida
en forma de señal, lo cual es controlado usando una señal de entrada. Si sobre la
carga se desarrolla una gran cantidad de potencia, el dispositivo deberá manejar
una gran excursión en voltaje y corriente. Los puntos de operación deben estar
en un área permitida de voltaje y corriente que asegure la máxima disipación,
(SOA, Safe Operating Area). Se deben considerar los voltajes de ruptura y efec-
tos térmicos permitidos en los dispositivos de estado sólido, las características
no lineales en el funcionamiento y usar los parámetros para gran señal del dis-
positivo. La curva de la Fig. 1 muestra las caracteristicas de emisor y colector
de un transistor delimitada por el SOA, que está de…nido por la PCEMAX. [1].
CE
v
C
i
CE Max
V
CE Max
P
C MaxI
BI =0
SOA
Figure 1: Area Segura de Operación del Transistor.
La corriente iC y el voltaje VCE no podrán sobrepasar los máximos indicados.
1

2. 2 Clasi…cación de los ampli…cadores de potencia
Existen cuatro clasi…caciones básicas de ampli…cadores de potencia: A, AB, B
y C. En clase A, el ampli…cador está polarizado de tal forma que la corriente
por el colector ‡uye durante el ciclo completo de la señal de entrada. Para clase
AB, la polarización del ampli…cador es de tal forma que la corriente de colector
solamente ‡uye para un lapso menor a los 360o
y mayor a los 180o
de la onda
correspondiente. Para el funcionamiento en clase B, la corriente IC ‡uirá solo
durante 180o
de la onda de entrada. Finalmente, para funcionamiento en clase
C, el dispositivo conducirá durante un periodo inferior a los 180o
correspondiente
a la onda de entrada. La Fig. 2, muestra el comportamiento del dispositivo en
las distintas clases.
Clase A
iC
Clase B
Clase AB
Clase C
vBE
π 2π
π
2ππ
π
Conducción > π
Conducción < π
Figure 2: Comportamiento para clase A, AB, B, C.
Los ampli…cadores tipo AB y B usan con…guraciones transistorizadas lla-
madas push-pull. Cada uno de estos ampli…cadores posee características de
e…ciencia y distorsión distintos, por lo cual, sus aplicación será a distintas áreas.
3 Relaciones básicas en los ampli…cadores de po-
tencia
Para el análisis de los ampli…cadores de potencia se requiere de relaciones aso-
ciadas a su funcionamiento y desempeño. Como el ampli…cador de potencia
convierte la potencia de CC de la fuente de alimentación en una señal de po-
tencia en la carga, la e…ciencia de este proceso está dada por
=
PL(CA)
PCC
(1)
2

3. Donde es la e…ciencia, PL(CA), es la potencia media de señal en la carga y
PCC, la potencia media de salida en la fuente de alimentación.
La potencia media disipada en el dispositivo de ampli…cación, considerando
un transistor bipolar como dispositivo de potencia, será
PCE = PCC PL (2)
Donde PCE es la disipación media de colector, PL es la potencia total, es
decir, PL = PL(DC)+ PL(CA).
Para la determinación de las potencias se usará (3), donde p es la potencia
instantánea, v e i son el voltaje y la corriente instantáneos.
p = vi (3)
Sean v e i formas de onda periodica, con componente continua (la cual puede
ser cero) y una componente de corriente alterna, no necesariamente sinusoidal
v = VDC + vCA (4)
i = IDC + iCA (5)
Luego la potencia media en un periodo T será
P =
1
2
Z 2
0
p d!t
= VDCIDC +
1
2
Z 2
0
vCAiCAd!t (6)
" PCC " PCA
Donde, PCC es la contribución de la componente continua y PCA es la
contribución de la componente alterna a la potencia media. Considerando
vCA = Vm cos !t y iCA = Im cos !t; reemplazando en la ecuación (6), se tiene
P = VDCIDC +
1
2
Z 2
0
[(Vm cos !t) (Im cos !t)] d!t =
= VDCIDC +
VmIm
2
= VDCIDC +
VmIm
2
(7)
Como 2 =
p
2
p
2; entonces
P = VDCIDC +
VmIm
p
2
p
2
= VDCIDC + VrmsIrms (8)
Cuando un señal de corriente periódica tiene componente continua se expresa
el valor rms de la forma de onda como
3

4. Irms =
q
I2
DC + I2
1rms
+ I2
2rms
+ ::: + I2
nrms
(9)
Donde IDC, es la componente continua de la señal, I1rms
es el primer ar-
mónico de la señal, Inrms
es el n ésimo armónico de la señal. Para el caso de
una señal sinusoidal con componente continua será
Irms =
q
I2
DC + I2
rms (10)
4 El ampli…cador Clase A
En operación clase A, el ampli…cador reproduce toda la señal de entrada, la
corriente de colector es distinta de cero todo el tiempo, lo cual se considera muy
ine…ciente, ya que para señal cero en la entrada, se tiene un ICQ > 0, luego el
transistor disipa potencia.
4.1 Ampli…cador Emisor común
Sea la con…guración de emisor común de la Fig. 3a, la cual funciona en clase
A. Por simplicicidad se hace la resistencia de emisor RE = 0. Se selecciona RL
para máxima potencia de salida, lo que implica que la recta de carga de CA
debe pasar por la curva PCEMAX. El circuito equivalente de CC y CA se indica
en la Fig. 3b-c.
vi
RB
RL
VCC
(a)
VCC
RL
i =C
(c)(b)
v CE
RL
VCEQ
RL
ICQ++_
RL
i =C
v CE
RL
VCC
RL
+_
Figure 3: (a) Emisor Común. (b) CC. (c) CA.
Dependiendo del diseño, las rectas de carga estarán en dos puntos de op-
eración Q; los cuales se intersectan con la curva PCEMax; de acuerdo a la Fig.
4a, se observa que IC2 será la máxima corriente permitida para iC y VCE1 será el
máximo voltaje permitido para vCE: El óptimo elegido será el punto de reposo
Q1, debido a que IC1 < IC2, lo cual implica una menor corriente de colector,
menor distorsión y una menor corriente de base requerida para obtener IC. Para
4

5. que la realización sea factible, VCE1 debe ser menor que VCEO, así se tomará
que VCE1 = VCC. Lo cual puede no ser necesariamente efectivo para otras
con…guraciones en clase A.
CE
v
Ci
CQI
CE Max
V
CE Max
P
C M axI
Q
CEQV
CE
v
Ci
CQI
CE Max
P
Q
CEQV
(a) (c)
CE
v
Ci
CI
CEV
CE Max
P
1
CI
2
Q2
Q1
CEV
12
(b)
C M axI =
CCV
LR
CCVCE Max
V =
Figure 4: (a) Distintos puntos Q. (b) Punto. Q para máxima excusión simétrica.
(c) Excursión de la corriente y el voltaje.
Para valores arbitrarios ICMax y VCEMax, el punto Q estará dado por la
tangente a la curva PCEMax, en las coordenadas ICQ = ICMax
2 y VCEQ =
VCEMax
2 de acuerdo a la Fig. 4b. Se asume que la señal de entrada puede
manejar el transistor entre el corte y la saturación, de esta forma para una
variación en la corriente de base, se tiene la variación en la corriente de colector,
y una variación en la potencia. La recta de carga de CA tiene la misma pendiente
que la recta de carga de CC. En la Fig. 4c, se observan la onda de corriente iC
y vCE: Note que la excursión será simétrica, así de acuerdo se tiene ICQ = VCC
2RL
y VCEQ = VCC
2 .
La Fig. 5, muestra las formas de onda a través del tiempo iC, vCE, pCC,
PCE y PL.
La onda de potencia instantánea de la fuente pCC, estará dada por el pro-
ducto VCCiC y tiene la misma forma que iC. PCE = icvCE. Note que la forma
de onda de PCE tiene una frecuencia el doble de las otras formas de onda.
4.1.1 Determinación de la E…ciencia
La potencia en la carga será
PL = I2
CrmsRL (11)
Luego de acuerdo a (9), considerando que la corriente tiene componente
continua y alterna, se tiene
5

6. t
i
ω
C
t
v
ω
CE
ICMax
ICMax
2
I =CQ
VCE M ax
VCE M ax
2
V =CEQ
t
p
ω
CC
P =V ICC CQCC
VCC
2RL
VCC
2
Figure 5: Curvas de iC, vCE y pCC.
PL =
2
4
s
I2
CQ +
ICQ
p
2
2
3
5
2
RL
= I2
CQRL +
I2
CQ
2
RL
=
VCC
2RL
2
RL +
VCC
2RL
2
2
RL (12)
Entonces
PL =
V 2
CC
4RL
+
V 2
CC
8RL
(13)
PL(CC) " " PL(CA)
Por otro lado, la potencia promedio entregada por la fuente será
PCC = VCCICQ =
V 2
CC
2RL
(14)
Como la potencia disipada en el transistor debe ser la potencia de la fuente
menos la potencia en la carga, se tiene
PCE = PCC PL
=
V 2
CC
2RL
V 2
CC
4RL
+
V 2
CC
8RL
=
V 2
CC
4RL
V 2
CC
8RL
(15)
6

7. Finalmente, la e…ciencia estará dada por
=
V 2
CC
8RL
V 2
CC
2RL
= 0:25 (16)
La e…ciencia de este ampli…cador es baja, 25%, esto debido principalmente
a que se mantiene una corriente de reposo en la carga, la cual no es usada
(desperdiciada).
4.2 Con…guración emisor común con transformador de acoplo
Sea el circuito de la Fig. 6a. Una forma de mejorar la e…ciencia del ampli…cador
clase A es usar el acoplo de la carga mediante un transformador. ¿Cómo es eso?
RL
VCC
RL
VCC
(a) (b)
'
Np Ns
Np
Ns
R =L
'
RL
2
2
Figure 6: (a) Ampli…cador acoplado por transformador. (b) Equivalente.
Para CC y CA se obtienen los circuitos equivalentes de la Fig .7.
VCC
RL
i =C
(a) (b)
'
V =VCEQv =CE CC
v CE
RL
'
VCEQ
RL
'
I CQ++_
Figure 7: Equivalentes de CC y CA
Al considerar el acoplamiento la recta de carga en CC pasa por VCEQ = VCC,
pues RCC = 0, luego la recta de carga de CA corta el eje del voltaje en un valor
VCEMax = 2VCC. Como consecuencia de esto, cuando no hay señal, no existirá
corriente por el colector.
7

8. CE
v
Ci
CQI
CEMax
V
CE M ax
PC MaxI
Q
CEQV CC=V CC=2V
CCV
LR '
= CQI+
t
i
ω
C
t
v
ω
CE
ICMax
ICMax
2
I =CQ
VCE Max
VCE Max
2
V =CEQ
t
p
ω
CC
P = V ICC CQCC
VCC
RL
VCC
'
(a) (b)
Figure 8: Rectas de carga de CC y CA.
4.2.1 Determinación de la E…ciencia
La potencia en la carga será
PL = I2
CrmsR0
L (17)
Como sólo la carga recibe componente alterna, la corriente efectiva será la
amplitud sobre
p
2; luego
PL =
ICQ
p
2
2
R0
L (18)
Como ICQ = VCC
R0
L
, así
PL = PL(CA) =
V 2
CC
2R0
L
(19)
Dado que la potencia media de la fuente es PCC = VCCICQ, entonces
PCC = VCC
VCC
R0
L
=
V 2
CC
R0
L
(20)
Finalmente, la e…ciencia de la conversión será
=
PL(CA)
PCC
=
V 2
CC
2R0
L
V 2
CC
R0
L
= 0:5
Finalmente, la potencia disipada por el transistor será
PCE = PCC PL
=
V 2
CC
R0
L
V 2
CC
2R0
L
=
V 2
CC
2R0
L
8

9. Note que solo existe PL = PL(CA).
Example 1 Sea el ampli…cador clase A de la Fig.8, sabiendo que a la carga
RL se le entrega una potencia de 2 [W] :Considere la realción de transformación
n:1. Calcular la potencia de la fuente PCC y ICQ para que el transistor trabaje
en clase A:
Dado que el rendimiento es el 50%, se tiene
0:5 =
PL(CA)
PCC
=
2 [W]
PCC
PCC = 4 [W]
Como PL(CA) =
V 2
CC
R0
L
= 202
R0
L
= 2 [W], entonces R0
L = 100 [ ] : Además, como
PL =
ICQ
p
2
2
R0
L;
2 [W] =
ICQ
p
2
2
100 [ ]
ICQ = 0:2 [A]
4.3 Ampli…cador con resistencia de emisor
Una variación del ampli…cador considera RE 6= 0; de acuerdo a la Fig. 9a.
RL
VCC
Np Ns
RE
R2
R1
CE
v
Ci
CQI
CEMax
V
CEMax
P
C MaxI
Q
CEQV CC=V
Recta de carga de CC
Recta de carga de CA
(a) (b)
Figure 9: (a) Ampil…cador con RE:(b) Rectas de carga ampli…cador modi…cado.
Para esta situación se tiene que la recta de CC no es del todo in…nita dado
el valor de RE como se indica en la Fig. 9b. La recta de CA será lévemente
modi…cada. Sin embargo, el rendimiento permanece igual.
Example 2 Sea el ampli…cador de la Fig.10, determine la potencia en la carga,
la potencia entregada por la fuente y la potencia disipada por el transistor. Con-
sidere la relación de transformación n : 1, RE = 1 [ ] ; RL = 8 [ ] :
9

10. RL
+10[V]
n:1
RE
R2
R1
CE
Figure 10: Ampli…cador con RE y CE.
Para CC, se tiene
10 [V ] = ICQ1 [ ] + VCEQ
Para CA,
vCE = iCR0
L
iC =
vCE
R0
L
+
VCEQ
R0
L
+ ICQ
La maxima excursión se dará cuando cuando
VCEQ = ICQRCA = ICQR0
L
Luego reemplazando ICQ en la recta de carga de CC, se tiene 10 [V ] =
VCEQ
R0
L
1 [ ] + VCEQ; así se obtiene
VCEQ =
10 [V ]
1[ ]
R0
L
+ 1
=
10 [V ]
1
8 + 1
= 8:88 [V ]
ICQ =
10 [V ]
1 [ ] + R0
L
=
10 [V ]
8 [ ] + 1 [ ]
= 1:11 [A]
Para el cálculo de las potencias se tiene
PL(CA) = I2
CrmsR0
L =
ICQ
p
2
2
R0
L =
I2
CQ
2
R0
L = 4:93 [W]
PCC = VCCICQ = 10 [V ] 1:11 [A] = 11:11 [W]
La potencia disipada por el transistor será
PCE =
V 2
CC
2R0
L
= 6:25 [W]
10

11. 5 El ampli…cador Clase B
En esta operación, se usa un transistor para ampli…car el ciclo positivo de la
señal de entrada, mientras un segundo dispositivo se preocupa del ciclo negativo.
La con…guración se conoce como push-pull.
RL
VCC
Np
Ns+
1
Np
2
+
Q1
Q2
Figure 11: Ampli…cador clase B.
Se requieren dos transistores para producir la onda completa. Cada tran-
sistor se polariza en al punto de corte en lugar del punto medio del intervalo
de operación. Si el voltaje de entrada es positivo, de acuerdo a la conexión
del transformador se tiene que Q1 conduce y Q2 está en corte. Si el voltaje de
entrada es negativo Q1 no conduce y Q2 conduce. Esto permitirá obtener la
onda de salida de acuerdo a la Fig.12.
RL
VCC
Np
Ns+
1
Np
2
Q1
Q2
+
_
+
_
RL
VCC
Np
Ns+
1
Np
2
Q1
Q2
+
_
+
_
(a)
(b)
Figure 12: Conducción de los transistores.
La corriente de colector es cero cuando la señal de entrada es cero, por lo
11

12. tanto el transistor no disipa potencia en reposo. En CC, el VCEQ = VCC, y en
CA, la variación de iC será solo positiva, considerando que la recta de carga es
iC = vCE
R0
L
+
VCEQ
R0
L
+ ICQ; de la curva se tiene que ICQ = 0, luego para iC = 0,
la recta corta en vCE = VCC, de acuerdo a la Fig.13.
CE
v
Ci
CEMax
V
CE Max
P
C MaxI
Q
CCV
CC
=V
C MaxI
2
2
CCV
R
=
L
'
Figure 13: Rectas de Carga CA y CC del ampli…cador clase B.
Al considerar señal positiva en la base, el vCE disminuye a partir de VCC
como se muestra en la Fig.14.
CE
v
Ci
CE Max
V
CE Max
P
C MaxI
Q
CCV
CC
=V
C MaxI
2
2
Esta curva cor responde a un transistor (Q1)
Figure 14: Variación en torno al punto de operación
De la curva dada en la Fig. 13, se obtiene
ICMax =
VCEMax
R0
L
=
VCC
R0
L
Luego, la potencia en la carga será nuevamente la indicada en (11). En este
caso, cada transistor opera durante un semi-ciclo, por lo tanto, el valor efectivo
de la onda será ICMax
2 : Así, la potencia total en la carga por cada transistor será
PL =
ICMax
2
2
R0
L =
VCC
2R0
L
2
R0
L =
V 2
CC
4R0
L
(21)
12

13. t
i
ω
C
ICM ax
t
i
ω
C
tω
1
iC2
ICM ax
ICM ax
ICC ICC Promed io
Figure 15: Curvas de corriente.
Luego, la potencia total en la carga suministrada por ambos transistores
PL(CA) =
V 2
CC
2R0
L
(22)
Para determinar la potencia entregada por la fuente PCC, se requiere de-
terminar la corriente media consumida, la cual se llamará ICC. De acuerdo
a la Fig. 15, la onda de corriente producida sera la superposición de los dos
semiciclos aportados por la conducción de los dos transistores.
ICC =
1
Z
0
ICMax sin (!t) d!t
=
ICMax
Z
0
sin (!t) d!t =
2ICMax
Así se tiene que
PCC = VCC
2ICMax
= VCC
2 VCC
R0
L
=
2V 2
CC
R0
L
= 0:636
V 2
CC
R0
L
(23)
Finalmente, se tiene el redimiento
=
V 2
CC
2R0
L
2V 2
CC
R0
L
=
4
= 0:785 (24)
Lo que corresponde a un 78.5% de e…ciencia en la conversión. Por otro lado,
la potencia disipada por el colector será
13

14. PCE =
V 2
CC
2R0
L
5.1 Ampli…cador de Simetría Complementaria
Sea el circuito de la Fig. 16 que corresponde a un ampli…cador de simetria
complementaria. La carga será de acoplamiento directo.
vi
+V
CC
-VCC
RL vo
+
_
Figure 16: Ampli…cador de simetría complementaria, con acoplamiento directo.
Cuando la señal de entrada es positiva, el voltaje en el emisor de Q1 es
levemente menor que en la entrada, haciendo conducir este y dejando en corte
Q2. Cuando el voltaje de entrada es negativo, conduce Q2, quedando en corte
Q1, como se muestra en la Fig. 17.
vi
+V
CC
-V
CC
RL vo
+
_
+
_ vi
+V
CC
-V
CC
RL vo
+
_
+
_
Q
1
Q
2
Q
1
Q
2
Figure 17: Funcionamiento del simetría complementaria.
6 El problema de la distorsión
El problema de la con…guración es que la onda de salida tiene distorsión debido
a que los transistores no empiezan a conducir inmediatamente, dado que la señal
14

15. en la base debe sobrepasar el umbral VBE: El semi-ciclo de la salida no es una
sinusoide perfecta.
t
v (t)
ω
o
Figure 18: Distorsión de la onda de salida.
La versión propuesta en [3] para el ampli…cador con transformador se mues-
tra en la Fig. 19. Para este caso en CC, se tiene la base polarizada a través de
VBB y RB.
RL
VCC
Np
Ns+
1
Np
2
RB+
VBB
+
Figure 19: Modi…cación para atenuar la distorsión.
En rigor puede ser implementada de acuerdo al circuito de la Fig.20 se con-
sidera que R1 R2 entregan un voltaje en la base en torno a VBEON . Lo cual
permite la conducción del transistor al inicio de la onda de entrada.
RL
VCC
Np
Ns+
1
Np
2
R1
R2+
Figure 20: Disminución de la distorsión.
Para este caso, la conducción de ambos transistores será mayor a 180 ; lo
que hace que su funcionamiento sea llamado Clase AB.
15

16. VBB =
R1
R1 + R2
VCC
IB =
VBB VBE
R1jjR2
=
VBB VBE
RB
Esta red resitiva puede ser modi…cada usando un diodo, el cual permitirá
obtener el voltaje requerido para la base del transistor.
R1
R2
R1
D1
VCC VCC
VBB
+
_
VBB
+
_
Figure 21: Red de polarización.
7 Ampli…cadores Clase AB
Se dice que este ampli…cador posee un comportamiento en clase A y clase B [2].
En este ampli…cador, el funcionamiento del dispositivo de potencia es mayor a
los 180 y menor a 360 :
El ampli…cador de simetría complementaria puede ser modi…cado de acuerdo
al esquema indicado en la Fig. 22. Para lo cual se requiere que VBB
2 = VBE =
VEB: lo que asegure que ambos transistores queden al borde de la conducción.
vi
+VCC
-VCC
R L
vo
+
_
VBB +
+
2
VBB
2
Figure 22: Ampli…cador Clase AB de simetría complementaria.
Luego un pequeño voltaje positivo hara que conduzca ale transistor NPN,
de forma análoga el transistor funcionará con un pequeño voltaje negativo en
la entrada.
16

17. De acuerdo a esto se indican las variantes de la Fig. 23, esto permite que
los transistores entren en operación al recibir la señal de entrada.
vi
+VCC
-VCC
R L vo
+
_
R1
R2
R1
R2
vi
+VCC
-VCC
RL vo
+
_
R1
R2
R1
R2
(a) (b)
vi
+VCC
RL vo
+
_
R1
D1
R1
D2
-VCC
(c)
Figure 23: Modi…cación del ampli…cador con simetría complementaria (a) Di-
visor de voltaje. (b) alternativo. (c) con diodos.
8 Ampli…cador de simetria complementaria con
acoplamiento capacitivo
El circuito de la Fig.24 será un ampli…cador de simetría complementaria con
acoplamiento capacitivo. Para este caso se tiene que la alimentación de cada
transistor es VCC
2 y la carga será RL.
vi
+V
CC
RL vo
+
_
Figure 24: Ampli…cador de simetría complementaria con acoplamiento capaci-
tivo.
De esta forma a partir de las relaciones del clase B push-pull, (22), (23) y
(24) , reeemplazando VCC por VCC
2 y R0
L por RL, se puede determinar
17

18. PCC =
2V 2
CC
4RL
PL =
V 2
CC
8RL
PCE =
V 2
CC
24RL
Luego el rendimiento será
=
V 2
CC
8RL
2V 2
CC
4RL
=
4
= 0:785
8.1 Modi…cación del ampli…cador de simetria complemen-
taria con acople capacitivo
Debido a que este ampli…cador trabaja con una sola fuente, es posible modi…-
carlo de acuerdo a la Fig. 25a-b.
vi
+VCC
R L vo
+
_
R1
R2
R1
R2
vi
+VCC
RL vo
+
_
R1
D1
R1
D2
(a) (b)
Figure 25: (a) Modi…cación con malla resistiva. (b) Usando diodos.
9 Conclusiones
Se han planteado algunos conceptos básicos de ampli…cadores de potencia. Las
magnitudes más importantes a considerar son la e…ciencia, la potencia en la
carga y la potencia disipada en el transistor. Cada una de las con…guraciones
tiene un rendimiento diferente, es importante determinar las magnitudes asoci-
adas a las variables de tal forma de ocupar las ecuaciones adecuadas tanto para
análisis como para diseño.
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19. References
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[2] Savant, Roden, Carpenter (1993). Diseño Electrónico. Addison-Wesley.
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combo
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