V - USC

UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI
FACULTAD INGENIERIAS
PROGRAMA DE INGENIERIA ELECTRONICA
CIRCUITOS ELECTRONICOS III
Profesor: MSc. JAVIER A. MURILLO M.
V. AMPLIFICADORES DE POTENCIA
Hay varios tipos de amplificadores. Por ejemplo, un micrófono recibe una señal de
un nivel bien bajo, digamos algunos milivoltios, y los amplifica. En casos como el
del micrófono o el amplificador de la señal recibida en una antena, los factores que
generalmente más nos preocupan son la linealidad de la amplificación y la ganancia
de voltaje. Como tanto el voltaje como la corriente son pequeñas en un amplificador
de señales pequeñas, ni la capacidad de manejo de potencia ni la eficiencia de
potencia son preocupaciones mayores. Un amplificador de voltaje provee
amplificación de voltaje para aumentar el nivel de voltaje de la señal de entrada.
Un amplificador de potencia o un large signal amplifier provee suficiente potencia a
una carga como para mover una bocina o algún otro dispositivo que consuma
considerable potencia. Estamos hablando de niveles de potencia que comiencen en
varios vatios. En este capítulo nos concentraremos en amplificadores de señales de
gran voltaje con niveles de corriente de moderados a altos.
En un amplificador de potencia o un large signal amplifier las principales
especificaciones son:
la eficiencia de potencia
la potencia máxima que el circuito es capaz de manejar
impedance matching con el dispositivo de salida
Un método muy común de caracterizar los amplificadores es usando el concepto de
su clase. La clase representa el porcentaje de la variación en grados de la señal de
salida en comparación con un ciclo completo de la señal de entrada.
Clase A: La señal de salida varía durante los 360o de la señal de entrada. Esto
requiere que el punto de operación Q sea escogido de forma que la señal de entrada
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pueda tener una amplia fluctuación desde su valor mínimo hasta su valor máximo
sin que la señal de salida ni se sature ni se corte.
Clase B: La señal de salida varía durante 180o o medio ciclo de la señal de entrada.
El bias DC es a nivel de 0 V y la salida varía desde este punto durante sólo medio
ciclo de la señal de entrada. Clase B seriamente distorsionaría la señal de entrada.
Sin embargo, es posible combinar dos amplificadores clase B en una operación
conocida como push-pull en donde cada uno de los dos amplificadores tan solo
funciona durante medio ciclo.
Clase AB: El nivel DC de bias se encuentra por encima del nivel de cero corriente
del amplificador clase B y por encima de la mitad del nivel de voltaje del
amplificador clase A. Al igual que el amplificador clase B el amplificador clase AB
también requiere de una conección push-pull para poder amplificar un ciclo
completo de la señal de entrada. Es más eficiente que el clase A. Para operación
clase AB la señal de salida fluctúa de entre 180o a 360o de la señal de entrada.
Clase C: Opera durante menos de 180o del ciclo de la señal de entrada. Depende de
un circuito sintonizado para filtrar componentes de frecuencia no deseados.
Clase D: Usa pulse width modulation (PWM) en donde el amplificador está
prendido durante unos cortos intervalos de tiempo. Su eficiencia puede llegar a ser
muy alta.
La eficiencia de un amplificador se define como la razón de la potencia de salida a
la potencia de entrada. La eficiencia de potencia de un amplificador aumenta según
progresamos de clase A a clase D.
Por ejemplo, un amplificador clase A consume un gran porcentaje de la potencia en
sencillamente mantener los voltajes y corrientes de bias. En dicho caso, muy poca
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potencia en realidad llega a la carga. Veremos que la eficiencia máxima a la que
puede aspirar un amplificador clase A es de 50% y para lograrlo requiere que la
carga esté acoplada mediante un transformador. En cambio, si la resistencia de
carga no está acoplada mediante transformador, entonces la máxima posible
eficiencia es de tan sólo 25%.
Un amplificador clase B cuyos voltajes y corrientes de bias son cero cuando no hay
señal de entrada puede llegar a una eficiencia máxima de 78.5%.
La eficiencia de un amplificador clase AB está entre los valores del clase A y los del
clase B.
Los amplificadores clase C y clase D pueden rendir eficiencias de más de 90%.
5.1. El amplificador Clase A
Consideremos el más sencillo posible amplificador clase A.
La única diferencia entre este circuito y el amplificador típico de señales pequeñas
es que la señal de entrada es mucho más grande, en el rango de voltios, en vez de
estar en el rango de micro voltios o mili voltios. Por lo tanto, el transistor es un
transistor de potencia capaz de soportar varias decenas de vatios. La
del transistor
de potencia no es muy grande que digamos, generalmente es menor de 100.
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La siguiente figura muestra un transistor de potencia típico en donde el colector
consiste de toda el área de superficie externa facilitando así la disipación de
potencia.
Si hacemos un análisis DC mediante un KVL obtenemos la siguiente ecuación.
VCC – IB RB – 0.7 = 0
IB =
VCC  0.7
RB
Sabemos que en la región activa
IC =
IB
Otro KVL nos lleva a
VCC – IC RC – VCE = 0
VCE = VCC – IC RC
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Esta última ecuación define el DC load line que junto a las curvas características del
transistor en su configuración de common emitter (i.e. IC contra VCE) define el punto
de operación Q del transistor.
La intersección del valor de la corriente DC IB con el DC load line nos da el punto
de operación Q.
Si escogemos el punto de operación Q de forma que ICQ se encuentre exactamente a
mitad de camino entre 0 y VCC/RC entonces obtendremos la máxima posible
fluctuación en la corriente de colector. De igual forma si escogemos el punto de
operación Q de forma que VCEQ se encuentre a mitad de camino entre 0 y VCC
entonces obtendremos la máxima posible fluctuación en el voltaje de colector a
emitter.
Veamos ahora la operación en términos AC. Cuando hay una señal AC en la entrada
del amplificador la corriente de base fluctuará por encima y por debajo del punto de
operación y esto hará que tanto la corriente de colector como el voltaje de colector a
emitter fluctúen con respecto a sus valores DC. Si la amplitud de la señal de entrada
aumenta, la fluctuación de la corriente de colector así como la fluctuación del
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voltaje de colector a emitter aumentarán hasta que uno de los dos alcance su límite.
Los límites para la corriente de colector son 0 y VCC/RC. Los límites para el voltaje
de colector a emitter son de 0 a VCC. La siguiente figura muestra el arreglo.
La parte a muestra las fluctuaciones correspondientes a una señal de pequeña
amplitud y la parte b muestra las fluctuaciones correspondientes a una señal de
mucho mayor amplitud.
Ahora procederemos a calcular la potencia de entrada, la potencia de salida y la
eficiencia de potencia.
La potencia de entrada a un amplificador la provee el power supply. En ausencia de
señal,
Pi(dc) = VCC ICQ
Aún si una señal de entrada AC (por conveniencia asumimos que es sinusoidal)
estuviera presente, la corriente promedio seguiría siendo ICQ y Pi(dc) no cambiaría.
La potencia de salida se manifiesta a través de la resistencia de carga RC.
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Po(ac) = IC2(rms) RC
Como para efectos AC el voltaje a través de la resistencia de carga es igual a
VCE(rms) y a VC(rms),
Po(ac) = VCE(rms) IC(rms)
VC2 ( rms)
RC
Po(ac) =
La eficiencia de potencia es la potencia de salida (AC) en la resistencia de carga
dividida por la potencia DC de entrada. Esto es,
%
=
Po (ac)
Pi (dc)
x 100
Calculemos ahora el máximo posible valor de dicha eficiencia para nuestro
amplificador clase A.
La máxima posible fluctuación AC en corriente de colector se logra escogiendo ICQ
=
VCC
2 RC
, esto es a la mitad de camino entre 0 y
AC de colector tendrá una amplitud de
VCC
2 RC
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VCC
RC
. De esta forma la corriente
y un valor RMS de
VCC
2 2 RC
.
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La máxima posible fluctuación AC de voltaje de colector a emitter se logra
escogiendo VCEQ =
VCC
2
, esto es a la mitad de camino entre 0 y VCC. De esta forma
el voltaje AC de colector a emitter tendrá una amplitud de
VCC
2
y un valor RMS de
VCC
.
2 2
Debemos recordar que potencia AC = Vrms Irms y que la amplitud de una onda
2
sinusoidal dividida por
nos da el valor RMS.
máximo Po(ac) =
VCC
VCC
2 2 RC 2 2
=
2
VCC
8 RC
La potencia de entrada está dada por el producto del voltaje del power supply, VCC,
y la máxima posible corriente DC de colector escogida como el punto medio entre 0
y
VCC
RC
, esto es,
VCC
2 RC
.
Pi(dc) = VCC
máximo %
=
Po (ac)
Pi (dc)
VCC
2 RC
x 100 =
110
=
2
VCC
2 RC
2
VCC
(
8 RC
/
2
VCC
2 RC
) x 100
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máximo %
=
2
8
x 100 = 25%
En la práctica, dado que las condiciones no siempre van a ser ideales, pues no
siempre vamos a poder escoger el punto de operación en exactamente a la mitad de
camino de la corriente de colector y simultáneamente a la mitad de camino del
voltaje de colector a emitter, la eficiencia de potencia es menor del 25%.
Los amplificadores clase A con carga resistiva sufren dos limitaciones
fundamentales:
La mitad de la potencia suplida por el power supply es consumida como
potencia DC en la resistencia de carga.
Algunos tipos de carga no pueden ser conectados a este tipo de amplificador.
Por ejemplo, una segunda etapa de amplificación quedaría conectada donde
se encuentra la resistencia de carga. En dicho caso el voltaje AC sería
demasiado grande.
Para subsanar estas dos limitaciones consideraremos el amplificador clase A con
resistencia de carga acoplada mediante transformador.
Consideremos ahora el DC load line para el
transformer-coupled class A amplifier.
El circuito básico se muestra a la derecha.
Los
alambres
del
embobinado
en
el
transformador poseen una muy pequeña
resistencia que para efectos prácticos la
podemos descartar. El voltaje promedio o DC
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del colector es VCC.
Si la descartamos la resistencia del embobinado, el DC load line es, tal y como
muestra la siguiente figura, una línea vertical. Dibujamos dicha línea vertical usando
VCEQ como referencia.
El punto de operación Q está definido por la intersección del DC load line vertical y
la corriente DC de base. La corriente ICQ la obtenemos proyectando el punto de
operación Q en el eje vertical de corriente de colector.
Es importante escoger un punto de operación que permita una amplia fluctuación
tanto para la corriente de operación como para el voltaje de colector a emitter. De lo
contrario, la eficiencia sufrirá.
Consideremos ahora el AC load line. Para ello tenemos que considerar la resistencia
de carga en la secundaria del transformador proyectada a la primaria, la cual tendrá
un valor de RL’ = a2 RL donde a = N1/N2 = razón de vueltas del transformador. Para
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dibujar el AC load line trazamos una línea que pase por el punto de operación Q y
que tenga una pendiente igual a – 1/ RL’.
El AC load line nos muestra que si la amplitud de la señal es suficientemente alta, el
voltaje AC hasta puede exceder el voltaje VCC del power supply. Por eso siempre se
recomienda comparar el voltaje máximo esperado con las especificaciones del
transistor.
Esto lo podemos ver matemáticamente. El AC load line está definido por la
siguiente ecuación.
IC = -
1
RL'
VCE + k
donde k es una constante
En el punto de operación Q la corriente de colector ICQ =
VCC
y el voltaje de
RL'
colector a emitter VCE = VCC. Con esta información podemos determinar el valor de
la constante k.
1
2VCC
VCC
=
V
+
k
=>
k
=
RL' CC
RL'
RL'
El AC load line está dado por la siguiente ecuación.
IC = -
1
RL'
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VCE +
2VCC
RL'
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Esto demuestra que si VCE = 0, entonces IC =
2VCC
RL'
, y que si IC = 0, entonces
VCE=2 VCC.
Hagamos algunos cómputos de las fluctuaciones en voltaje de colector a emitter y
en corriente de colector.
VCE(p-p) = VCE max - VCE min
IC(p-p) = IC max - IC min
La potencia AC a través de la primaria del transformador está dada por la siguiente
ecuación.
Po(ac) =
VCE max VCE min
I C max  I C min
2 2
2 2
(VCE max VCE min ) ( I C max  I C min )
Po(ac) =
8
(VCE max  VCE min )
1
Po(ac) =
(V
- VCE min)
RL'
8 CE max
2
VCC
2VCC
1
)=
Po(ac) =
(2 VCC) (
2 RL'
RL'
8
Calculemos ahora la máxima posible eficiencia del amplificador clase A con
resistencia de carga acoplada mediante transformador.
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Pi(dc) = VCC ICQ
VCC
RL'
Pi(dc) = VCC
máximo %
=
Po (ac)
Pi (dc)
x 100 =
=
2
VCC
(
2 RL'
2
VCC
RL'
/
2
VCC
RL'
) x 100 = 50%
Normalmente los transformadores son bastante eficientes, digamos que cuentan con
por lo menos un 90% de eficiencia. En dicho caso, la potencia AC en la secundaria
del transformador en donde se encuentra la resistencia de carga deberá ser
aproximadamente igual a la potencia AC en la primaria que acabamos de calcular.
También podemos directamente calcular la potencia en la carga.
VL = V2 =
PL =
N2
N1
V1
VL2 ( rms)
RL
o
IL = I2 =
N1
N2
IC
PL = IL2(rms) RL
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Ejemplo: En el siguiente circuito una bocina de 8
está acoplada mediante
transformador a un amplificador. La corriente DC de base es de 6 mA y con
respecto a dicho valor DC el componente AC de la corriente de base tiene una
amplitud de 4 mA. Esto es, IB = 4 mA.
Los DC y AC load lines aparecen indicadas en la siguiente figura.
De los load lines se desprende que VCEQ = VCC = 10 V, ICQ = 140 mA.
RL’ = a2 RL
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RL’ =
(
N1 2
)
N2
RL = (32) (8) = 72
El AC load line tendrá un pendiente de -1/72, y pasará por el punto de operación Q.
Para facilitar el poder dibujar el AC load line calculemos la fluctuación máxima o
amplitud máxima de la corriente de colector.
IC =
VCE
10
= 0.139 A = 139 mA
' =
RL
72
Por lo tanto, la máxima corriente de colector está definida por
max (IC) = ICQ +
IC = 140 + 139 mA = 279 mA
Ahora tenemos dos puntos, IC = 279 mA en el eje vertical y el punto de operación Q
para trazar el AC load line.
Los valores máximos y mínimos de la corriente de base están dados por
max(IB) = IBQ +
min(IB) = IBQ -
IB = 6 + 4 = 10 mA
IB = 6 - 4 = 2 mA
La intersección de max(IB) = 10 mA con el AC load line y su correspondiente
proyección en el eje vertical nos da IC max = 255 mA. La correspondiente proyección
en el eje horizontal nos da VCE min = 1.7 V.
La intersección de min(IB) = 2 mA con el AC load line y su correspondiente
proyección en el eje vertical nos da IC min = 25 mA. La correspondiente proyección
en el eje horizontal nos da VCE max = 18.3 V.
La potencia AC suplida a la carga está dada por la siguiente expresión.
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(VCE max VCE min ) ( I C max  I C min )
Po(ac) =
Po(ac) =
8
(18.3 1.7) ( 255  25)
= 477.25 mW = 0.477 W
8
Antes de poder calcular la eficiencia de potencia primero tenemos que calcular la
potencia DC que suple el power supply.
Pi(dc) = VCC ICQ
Pi(dc) = (10 V) (140 mA) = 1400 mW = 1.4 W
Como la resistencia interna del embobinado del transformador es pequeña vamos a
descartar las pérdidas del transformador.
La diferencia entre la potencia DC que suple el power supply y la potencia AC
suplida a la resistencia de carga nos da las pérdidas disipadas como calor la cual
denotaremos como PQ.
PQ = Pi(dc) – Po(ac)
PQ = 1.4 W – 0.477 W = 0.92 W
Finalmente podemos calcular la eficiencia de potencia.
%
0.477
=
x 100 = 34.1 %
1.4
Este resultado es un poco menor que la eficiencia máxima teóricamente posible de
50% para el amplificador clase A con resistencia de carga acoplada mediante
transformador.
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